( PDF ) Análise e otimização de evaporadores de fluxo acelerado aplicados a refrigeração doméstica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ANÁLISE E OTIMIZAÇÃO DE EVAPORADORES DE FLUXO

ACELERADO APLICADOS A REFRIGERAÇÃO DOMÉSTICA

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

para obtenção do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

PAULO JOSÉ WALTRICH

Florianópolis, Setembro de 2008.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ANÁLISE E OTIMIZAÇÃO DE EVAPORADORES DE FLUXO

ACELERADO APLICADOS A REFRIGERAÇÃO DOMÉSTICA

PAULO JOSÉ WALTRICH

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA

ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA

Área de Concentração de Engenharia e Ciências Térmicas

sendo aprovada em sua forma final.

_____________________________________________________

Prof. Jader Riso Barbosa Junior - Orientador

_____________________________________________________

Prof. Cláudio Melo – Co-orientador

_____________________________________________________

Prof. Eduardo Alberto Fancello - Coordenador do Curso

BANCA EXAMINADORA

____________________________________________________

Prof. António Fábio Carvalho da Silva - Presidente

_____________________________________________________

Prof. Júlio César Passos

_____________________________________________________

Prof. César José Deschamps

“A felicidade não é um estágio da vida a ser alcançado, e sim, um breve

momento de alegria quando atingidos nossos objetivos e desejos.”

Do filme “The pursuit of Happyness”

Aos meus pais, Darci e Paulo,

e aos meus irmãos, Gierri e Maicon,

pelo amor, constante incentivo e aprendizado que sempre tive com as suas presenças.

A Ticiana e Família

pelo amor e presença nas horas difíceis.

iii

AGRADECIMENTOS

Aos meus professores, em especial, a Jader Riso Barbosa Junior, pelo imenso

comprometimento e imensurável contribuição na orientação deste trabalho e na

minha formação tanto profissional quanto pessoal, se portando muitas vezes não só

como orientador, mas também como um amigo, a Cláudio Melo, pela experiência e

conhecimentos transmitidos ao longo desse trabalho, a Christian Johann Losso

Hermes pela co-orientação, visão crítica e conhecimentos transmitidos;

Aos colegas do POLO, em especial, a Joel Boeng pela amizade, competência e

comprometimento na realização das suas atividades, a Robson Olímpio Piucco pela

amizade, valorosas discussões e contribuições especialmente nas atividades

experimentais, a Diogo Lôndero da Silva pela amizade e conhecimentos prestados

principalmente nas estimativas das análises das incertezas experimentais, a Luiz

Gustavo Pereira pelo suporte na construção da bancada experimental e no

processamento dos dados, a João Ernesto Schreiner, Guilherme Borges Ribeiro,

Rovanir Baungartner, Thiago Dutra e André Morriensen pela amizade, discussões e

contribuições, a Giovani Adão Rodrigues, Israel Machado, Taffarel Schveitzer

Souza e Rodrigues Stahelin pelo apoio técnico;

A todos os demais professores e integrantes do POLO pela companhia, conhecimentos

prestados e apoio na realização deste trabalho e em minha formação acadêmica;

Aos membros da Banca Examinadora, pela disposição em avaliar este trabalho;

Ao corpo docente e ao próprio Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica

pelos imensos conhecimentos técnicos a mim transmitidos e a oportunidade da

realização deste trabalho;

Ao CNPq e a Whirlpool S.A. – Unidade Multibrás, pelo financiamento deste trabalho;

E a todos aqueles que ajudaram de alguma, que sabem a quem me refiro, muito obrigado!

SUMÁRIO

LISTA DE SÍMBOLOS viii

RESUMO xi

ABSTRACT xii

1. INTRODUÇÃO 1

1.1. Motivação...................................................................................................................4

1.2. Objetivos.....................................................................................................................7

1.3. Estrutura da Dissertação.............................................................................................9

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 11

2.1. Trocadores de Calor Compactos Tubo-Aleta ...........................................................11

2.2. Modelos Matemáticos de Refrigeradores Domésticos.............................................15

2.3. Metodologias de Otimização de Sistemas de Refrigeração......................................16

2.4. Escopo do Trabalho..................................................................................................19

3. EVAPORADOR DE FLUXO ACELERADO (EFA) 21

3.1. Aspectos Gerais........................................................................................................21

3.1.1. Equações Básicas para Trocadores de Calor: Transferência de calor .................................. 21

3.1.2. Equações Básicas para Trocadores de Calor: Queda de Pressão.......................................... 27

3.1.3. Conceito do Evaporador de Fluxo Acelerado ...................................................................... 31

3.2. Análise Experimental ...............................................................................................32

3.2.1. Lei de formação dos tubos e Confecção dos protótipos.......................................................33

3.2.2. Aparato Experimental .......................................................................................................... 40

3.2.3. Resultados experimentais..................................................................................................... 57

3.2.4. Conclusões Parciais..............................................................................................................65

3.3. Modelo Matemático do EFA....................................................................................66

3.3.1. Queda de pressão ................................................................................................................. 69

vi Sumário

3.3.2. Transferência de calor ..........................................................................................................85

3.3.3. Validação do Modelo Matemático .......................................................................................90

4. MODELO MATEMÁTICO DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO 97

4.1. Aspectos Gerais........................................................................................................ 97

4.2. Sub-Modelo do Compressor .................................................................................... 98

4.3. Sub-Modelo do Condensador................................................................................. 103

4.4. Sub-modelo do Trocador de calor Tubo capilar – Linha de Sucção...................... 105

4.5. Sub-modelo do Gabinete........................................................................................ 107

4.5.1. Modelo de Carga Térmica..................................................................................................109

4.5.2. Modelo de circulação interna de ar ....................................................................................112

4.6. Integração dos Componentes do Sistema............................................................... 114

5. CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO (PEC) 117

5.1. Aspectos Gerais...................................................................................................... 117

5.2. Formulação dos PEC Lambda e Kappa ................................................................. 118

5.2.1. PEC Lambda (Λ)................................................................................................................118

5.2.2. PEC Kappa (K)...................................................................................................................120

5.3. Método de Otimização........................................................................................... 122

5.4. Implementação Computacional.............................................................................. 127

5.4.1. Aspectos gerais...................................................................................................................127

5.4.2. Acoplamento entre os códigos EES e modeFRONTIER....................................................127

5.4.3. Interface Gráfica do código de Simulação .........................................................................128

6. RESULTADOS E DISCUSSÕES 131

6.1. Avaliação do Desempenho dos EFA ..................................................................... 131

6.1.1. Potência de bombeamento em função da transferência de calor ........................................131

6.1.2. Efeito do by-pass sobre a transferência de calor e a queda de pressão...............................135

6.1.3. Conclusões Parciais............................................................................................................139

6.2. Validação do Modelo do Sistema de Refrigeração................................................ 140

6.2.1. Trabalho experimental........................................................................................................140

Sumário vii

6.2.2.

Resultados .......................................................................................................................... 142

6.2.3. Conclusões Parciais............................................................................................................145

6.3. Otimização e Utilização dos PEC...........................................................................146

6.3.1. Restrições e limites das variáveis de otimização................................................................ 146

6.3.2. Resultados do processo de Otimização .............................................................................. 148

6.3.3. Conclusões Parciais............................................................................................................155

6.4. Análises de Sensibilidade.......................................................................................156

6.4.1. Conclusões Parciais............................................................................................................157

7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 159

7.1. Conclusões Finais...................................................................................................159

7.2. Sugestões para Trabalhos Futuros..........................................................................161

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 163

APÊNDICE I - Cálculo da eficiência de aleta 167

APÊNDICE II - Desenhos, dimensões e relações geométricas dos efa 169

APÊNDICE III - Calibração do medidor de fluxo de massa 173

APÊNDICE IV - Análises das incertezas experimentais 177

APÊNDICE V - Testes de fluxo de calor reverso 181

APÊNDICE VI - Caracterização experimental da circulação interna de ar e do ventilador 185

APÊNDICE VII - Instrumentação e modificações no refrigerador 191

APÊNDICE VIII - Câmara e procedimento de testes de validação 197

APÊNDICE IX - Resultados experimentais dos testes de validação 201

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolos Gerais

Símbolo Descrição Unidades

Área de troca [m

]

Área mínima de passagem da seção transversal [m

]

Calor específico a pressão constante [J/kgK]

COP

Coeficiente de performance [adimensional]

Custo [adimensional]

Diâmetro do tubo [m]

Diâmetro hidráulico [m]

Espaçamento entre aleta [m]

Espessura de aleta [m]

Geração de calor [W]

Velocidade mássica [kg/m

Coeficiente de transferência de calor [W/m

Altura da seção transversal do evaporador [m]

Altura da seção transversal de saída [m]

Altura da seção transversal de entrada [m]

Condutividade térmica [W/mK]

Fator de perda de carga [adimensional]

Comprimento do evaporador [m]

Fluxo de massa [kg/s]

Pressão [Pa]

Espaçamento longitudinal dos tubos [m]

Espaçamento Transversal dos tubos [m]

ix Lista de Símbolos

Transferência de calor [W]

Resistência ao escoamento [1/ms]

Tempo [s]

Temperatura [K]

Condutância térmica global [W/K]

Velocidade [m/s]

Vazão volumétrica [m

/s]

Largura do evaporador [m]

Potência consumida [W]

Índices

Símbolo Descrição

Adimensionalizado

Bombeamento

By-pass

Condensador, contração

Compartimento do congelador

Entrada, evaporador, expansão

aleta

Frontal

Interno

Volume de controle genérico

Médio

Média logarítmica

Externo

Compartimento do refrigerador

Saída

Lista de Símbolos x

Total, tubos, feixe de tubos

Ventilador

Volume de controle

Água, parede

Símbolos Gregos

Símbolo Descrição Unidades

Espessura [m]

Eficiência da superfície [adimensional]

Eficiência de aleta [adimensional]

Ângulo do EFA [rad]

Viscosidade do fluido [Pa s]

Massa específica [kg/m³]

Razão de área [adimensional]

Tensão de cisalhamento [kg/ms

]

Grupamentos Adimensionais

Símbolo Descrição Relação

Fator de atrito

)2/)(/(

GDL

Fator de Colburn

3/2

j =

Número de Nusselt

Nu =

Número de Prandtl

=Pr

Número de Reynolds

=Re

RESUMO

O presente trabalho apresenta uma análise teórica e experimental de trocadores de

calor tubo-aleta aplicados a refrigeração doméstica. O desempenho de um conceito alternativo

de evaporador, o chamado Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA), foi investigado

sistematicamente. Neste evaporador, a área de seção transversal do lado do ar diminui com a

distância da região de entrada, causando a aceleração do escoamento e promovendo um

aumento no coeficiente de transferência de calor do lado ar. Um estudo de otimização também

foi realizado com o objetivo de obter uma configuração otimizada para o EFA aplicado a um

refrigerador doméstico.

Uma bancada experimental foi construída para avaliar a perda de carga e a

transferência de calor em 15 protótipos de evaporadores, em função da vazão, da razão da

seção transversal entre a entrada e a saída, do número de aletas e do comprimento do trocador.

O aparato experimental é constituído de um túnel de vento e de um circuito de água para

circulação interna dentro dos tubos.

Um modelo de evaporador que simula o comportamento termo-hidráulico do lado ar

também foi desenvolvido. Este modelo divide o evaporador em regiões (volumes de controle)

e em geometrias elementares (tubos e aletas), para fazer uso das informações de geometrias

mais simples disponíveis na literatura e, assim, modelar os fenômenos que ocorrem neste

componente. Um modelo simplificado de um refrigerador doméstico (duas portas, ‘frost-

free’) também foi elaborado para avaliar o impacto global da utilização de um determinado

evaporador no sistema de refrigeração. Os resultados numéricos dos modelos do evaporador e

do sistema de refrigeração foram validados através da comparação com dados experimentais,

verificando-se uma razoável concordância de ±15%.

Através dos estudos de otimização verificou-se que o conceito do EFA apresenta um

grande potencial para a aplicação em refrigeradores domésticos, já que todas as configurações

dos evaporadores obtidos pela otimização apresentaram alguma aceleração. Com a utilização

de um EFA, foi possível constatar reduções de massa do evaporador de até 40%, com uma

redução no COP do sistema de apenas 1%.

ABSTRACT

A theoretical and experimental analysis of tube-fin evaporators utilized in household

top-mount ‘no-frost’ refrigerators is carried out in the present dissertation. The performance

of an alternative evaporator concept, the so-called Accelerated Flow Evaporator (AFE) is

systematically investigated. In this evaporator, the air-side cross sectional area decreases with

the distance from the air flow inlet causing the air flow to accelerate and promote an

enhancement of the air-side heat transfer coefficient. This heat transfer enhancement allows a

reduction of the heat exchanger volume and hence its material cost. An optimization analysis

is also carried out to identify an optimized configuration of the AFE utilized in household

refrigerators.

An experimental apparatus was constructed to measure the air-side pressure drop and

the heat transfer in 15 evaporators prototypes as a function of the air flow rate, the ratio of the

outlet and inlet cross-section area and the number of fins. The test facility consists of an open

wind tunnel connected to a water loop.

A mathematical model which simulates the air-side thermal-hydraulic behavior of the

evaporator was also developed. The modeling approach consists of dividing the evaporator

into n control volumes in the direction of the air flow. The tube pitches, fin density and inlet

and outlet cross-sectional areas can be set independently for each control volume. A

mathematical model for the refrigeration system was also developed to take into account the

overall impact on the system performance due to a change in the configuration of the

evaporator. The agreement between the models and the experimental results is within ±15%.

The optimization results have shown that the AFE concept presents a significant

potential for household refrigeration applications, since all configurations obtained from the

optimization runs contained evaporators with some acceleration. When the AFE concept was

employed, the mass of the evaporator could be reduced by as much as 40%, with an

associated COP reduction of only 1%.

1. INTRODUÇÃO

Pode-se definir a refrigeração como a arte de resfriar corpos sólidos ou fluidos para

temperaturas abaixo das disponíveis no ambiente, num determinado tempo e local (Gosney,

1982). Esta importante área da engenharia vem sendo aprimorada através dos séculos para

atender às diversas necessidades geradas com a evolução do estilo de vida da humanidade. No

dias atuais, é praticamente impossível dissociar as atividades da sociedade moderna dos

benefícios proporcionados pelas tecnologias de refrigeração, seja no resfriamento e

conservação de alimentos, no conforto térmico e climatização de ambientes, medicina ou na

melhoria do desempenho de dispositivos eletrônicos.

Dentre os segmentos da indústria de refrigeração, a refrigeração doméstica

(refrigeradores e freezers) é um dos setores de mais fundamental importância econômica. Em

escala mundial, estima-se que existam mais de um bilhão de refrigeradores domésticos em

operação nos dias de hoje (Coulomb, 2006). Por conseqüência da grande quantidade de

equipamentos em funcionamento e pela baixa eficiência termodinâmica dos mesmos (cerca de

15% da eficiência de Carnot), os refrigeradores domésticos têm um impacto relevante no

consumo de energia elétrica. Por conseqüência, pode-se verificar também a importância

destes sistemas do ponto de vista ambiental, já que a geração de energia elétrica tem um

impacto direto sobre a deterioração do meio ambiente.

Dentre os refrigeradores existentes no mercado, o refrigerador do tipo no-frost (ou

frost-free) de duas portas representa uma porção importante (40%) dos aparelhos vendidos

atualmente. A principal diferença entre o refrigerador

no-frost e os convencionais diz respeito

ao tipo de evaporador utilizado e ao método de circulação do ar no interior dos

compartimentos. Nos refrigeradores no-frost são utilizados trocadores de calor tubo-aleta

(Figura 1.1) e a circulação de ar é realizada por meio de um ventilador (convecção forçada).

Já nos refrigeradores convencionais, são utilizados evaporadores de placa (os chamados roll-

bond

) e a circulação do ar nos compartimentos é governada pela convecção natural (Figura

1.2).

2 Introdução

efrigerado

orta

Tubo Capila

Congelador

Ventilado

orta

uto de retorno

uto de insuflamento

lenum

Compresso

Condensado

Direção do escoamento

uto de retorno

Figura 1.1 – Evaporador padrão e uma vista lateral do circuito de ar de um refrigerador no-frost.

Refrigerador

Porta

Tubo Capilar

Evaporador

Roll-Bond

Porta

Compressor

Evaporador

Roll-Bond

Condensador

Congelador

Movimentação do

ar por convecção

natural

Movimentação do ar

por convecção natural

Trocador de Calor TC-LS

Formação de Gelo

sobre o Evaporador

Figura 1.2 – Formação de gelo sobre um evaporador roll-bond e uma vista lateral da circulação de ar em um

refrigerador convencional.

Nos refrigeradores, o evaporador está acoplado aos outros componentes do sistema de

refrigeração como ilustrado na Figura 1.3. O sistema de refrigeração utilizado em refrigeração

doméstica é normalmente baseado no princípio de compressão mecânica de vapor, embora

uma pequena fração dos sistemas utilize os princípios termoelétrico ou de absorção.

Introdução 3

Figura 1.3 – Esquema de um sistema de refrigeração aplicado a um refrigerador doméstico no-frost (Hermes,

2006).

A refrigeração obtida por ciclos de compressão mecânica de vapor consiste em se

retirar calor (a uma taxa

) de um determinado ambiente por meio de um evaporador onde

ocorre a evaporação de um fluido volátil (refrigerante). No ciclo de refrigeração padrão, o

fluido refrigerante deixa o evaporador no estado de vapor saturado e é comprimido por um

compressor mediante a realização de trabalho a uma taxa líquida

. O refrigerante deixa o

compressor a uma alta pressão e temperatura (no estado de vapor superaquecido) e vai para o

condensador, onde se condensa, rejeitando calor ao ambiente externo (a uma taxa

) a uma

pressão constante. Então, o fluido se encaminha para o dispositivo de expansão, onde tem a

sua pressão reduzida em um processo aproximadamente isentálpico. Neste ponto, o

refrigerante está a uma baixa pressão e temperatura, e se dirige ao evaporador fechando o

ciclo. As transformações de estado do fluido refrigerante ao longo de um ciclo padrão são

mostradas no diagrama p-h da Figura 1.4.

4 Introdução

Enta

Pressão

Figura 1.4 – Diagrama p-h de um ciclo padrão de refrigeração por compressão a vapor.

O desempenho dos sistemas de refrigeração é usualmente avaliado com referência ao

coeficiente de performance (COP), definido como,

COP

(1.1)

onde

é a taxa de transferência de calor do evaporador (capacidade de refrigeração) e

a potência consumida pelo compressor.

Dentre os componentes do sistema de refrigeração, o evaporador exerce um papel

fundamental no desempenho do refrigerador, uma vez que tem influência direta sobre o

espaço interno e a remoção de calor dos compartimentos. Devido a esta importância no

desempenho do sistema de refrigeração, melhorias na eficiência deste componente podem

influir significativamente no desempenho global do sistema, reduzindo as irreversibilidades

externas e refletindo numa diminuição considerável do consumo de energia.

1.1. Motivação

A desvantagem dos refrigeradores convencionais em relação aos no-frost é a presença

da formação de gelo na superfície do evaporador, que se forma em contato direto com os

alimentos a serem refrigerados no compartimento do congelador. Nos refrigeradores no-frost

o ar é resfriado em um compartimento interno, separado do ambiente do congelador, não

apresentando contato com os alimentos, mas exigindo um espaço exclusivo para a

Introdução 5

acomodação do evaporador e dos dutos de ar. Assim, os refrigeradores no-frost exigem um

custo adicional e um compartimento maior para o evaporador do que os refrigeradores

convencionais, diminuindo o volume útil dos compartimentos do congelador e refrigerador e,

ainda, aumentando o custo final do produto. Pode-se afirmar, então, que melhorias no

desempenho do evaporador têm um impacto positivo tanto no custo quanto no aumento do

espaço interno do refrigerador.

No interior dos compartimentos refrigerados, o ar é utilizado como fluido de trabalho

para resfriar os alimentos, já que este fluido se encontra no ambiente externo e interno, e não

interfere de maneira significativa na conservação dos alimentos. O ar então retira calor dos

produtos estocados e cede calor ao circular no lado externo do evaporador, que por sua vez é

transferido ao fluido refrigerante que se evapora no lado interno. Assim, pode-se verificar a

existência do escoamento de dois fluidos de trabalho distintos no evaporador: ar e fluido

refrigerante.

Como a resistência térmica do lado do ar é significativamente maior do que a do lado

do escoamento interno, o grande desafio do projeto de evaporadores tubo-aleta aplicados a

refrigeração doméstica é a obtenção de um aumento significativo na efetividade da troca de

calor do lado do ar. Este ganho em efetividade pode ser alcançado pelo aumento da área de

troca (com ou sem um aumento do volume do trocador) ou pelo aumento do coeficiente de

transferência de calor do lado do ar. Ao contrário do que geralmente se busca nos trabalhos

encontrados na literatura sobre trocadores de calor, onde o foco é a intensificação da

transferência de calor por meio de uma alteração no projeto das aletas (geradores de vórtice,

aletas ventiladas, etc.), o presente trabalho enfoca na análise da intensificação da transferência

de calor por meio da aceleração do fluxo de ar, mantendo fixo o tipo de aleta utilizado.

Cur e Anselmino (1992) propuseram um conceito alternativo de evaporadores tubo-

aleta para aplicações de refrigeração doméstica, o Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA

). A

principal idéia por trás deste conceito é a redução do tamanho do evaporador (e, com isso, a

redução de massa de alumínio) através da intensificação local da transferência de calor. Esta

intensificação é obtida por meio de uma redução progressiva (neste caso, linear) da área da

seção transversal ao escoamento do ar, o que resulta em um aumento da velocidade da

corrente e, conseqüentemente, do número de Reynolds local. A principal desvantagem do

EFA é um aumento intrínseco das componentes reversível e irreversível da queda de pressão

A abreviação EFA será usada tanto no singular para “Evaporador de Fluxo Acelerado” quanto para o

plural “Evaporadores de Fluxo Acelerado” ao longo de toda dissertação.

6 Introdução

ao longo do escoamento de ar. A Figura 1.5 ilustra de forma qualitativa as curvas do

coeficiente global de transferência de calor local (U(VC

)) e da queda de pressão total (Δp

(z))

acumulada ao longo do trocador, os quais são definidos, respectivamente, por,

5,4,3,2,1,

)()(

)(

)( =

ΔΔ

= n

VCTVCA

VCQ

VCU

nmln

(1.2)

()

Lzdz

<<=Δ

∫

(1.3)

onde )(

VCQ

Δ , )(

VCAΔ e )(

nml

VCTΔ representam, respectivamente, a taxa de troca de

calor, a área de troca e a média logarítmica da diferença de temperaturas para cada volume de

controle hipotético. Estes parâmetros serão descritos com maiores detalhes no Capítulo 3.

Coeficiente de Transferência de Calor

Queda de Pressão

Coeficiente de Transferência de Calor

Queda de Pressão

(a) (b)

Figura 1.5 – Intensificação da transferência de calor e perda de carga do escoamento de ar ao atravessar (a) um

evaporador convencional e (b) um EFA, em função da posição z.

Pode-se perceber na Figura 1.5a que o coeficiente de transferência de calor externo é

praticamente constante ao longo do trocador convencional, já que a geometria, velocidade e

padrão de escoamento são praticamente os mesmos entre os volumes de controle. Entretanto,

no EFA (Figura 1.5b), o coeficiente de transferência de calor aumenta ao longo do

evaporador, em função da aceleração do escoamento, e conseqüentemente do número de

Reynolds. Contudo, como desvantagem, o aumento do número de Reynolds causa um

acréscimo considerável na queda de pressão do escoamento do ar ao atravessar o trocador,

quando comparado com o evaporador convencional.

Introdução 7

Outro ponto a ser considerado é a redução da área de troca de calor resultante do corte

das aletas e diminuição do número de fileiras de tubos. Para que o EFA seja atrativo em

comparação com a configuração original, o aumento do coeficiente de transferência de calor

deve ser tal que compense, termodinamicamente ou economicamente, o efeito da redução da

área de troca na capacidade de refrigeração e no consumo de energia do refrigerador.

Até o presente momento, não há na literatura um estudo sistemático desse tipo de

evaporador. Deste modo, os potenciais benefícios da redução de volume e os reais efeitos do

aumento da queda de pressão do lado do ar ainda não puderam ser amplamente quantificados.

Fica evidente, então, a necessidade de um estudo sistemático a respeito de evaporadores de

fluxo acelerado, visando tanto disponibilizar informações experimentais quanto analisar o real

benefício de sua aplicação na refrigeração doméstica. Uma análise quantitativa sobre o

potencial do conceito do EFA ficará mais bem evidenciada quando forem apresentadas, no

Capítulo 3, as principais equações que regem o escoamento e a transferência de calor neste

dispositivo.

1.2. Objetivos

Dada a importância da refrigeração doméstica e, mais especificamente, dos

evaporadores aplicados aos refrigeradores, fica claro que o estudo destes trocadores de calor

pode trazer grandes benefícios tanto para a indústria fabricante de refrigeradores, quanto para

a economia do país, já que reduções significativas de energia e custo de produção podem ser

alcançadas através do aumento do desempenho dos evaporadores.

Visando estes benefícios, o objetivo principal do presente trabalho é realizar um

estudo teórico e experimental sobre o conceito do EFA para, por fim, disponibilizar uma

metodologia computacional de projeto e de otimização de evaporadores no-frost aplicados a

refrigeradores domésticos. De posse desta metodologia, deseja-se também entender o

comportamento da eficiência do sistema de refrigeração em função dos parâmetros

geométricos do EFA, com o objetivo de se alcançar o máximo desempenho do sistema para

este tipo de evaporador.

Além dos objetivos principais citados acima, foram traçados ainda os seguintes

objetivos específicos:

Avaliar experimentalmente as características termo-hidráulicas do EFA, com o

intuito de preencher a lacuna de informações experimentais disponíveis na

literatura a respeito deste conceito;

8 Introdução

ii. Conceber e implementar computacionalmente uma “lei de formação (ou

configuração) dos tubos”, de maneira a padronizar o posicionamento dos tubos

no EFA em função de suas características geométricas, como o comprimento e

as dimensões das seções de entrada e saída;

iii.

Desenvolver e validar um modelo matemático para avaliar a transferência de

calor e queda de pressão em evaporadores no-frost, incluindo também o

conceito do EFA;

iv.

Desenvolver um modelo que avalie a vazão de ar dentro dos compartimentos

refrigerados, em função da curva característica vazão versus perda de carga do

sistema acoplado do ventilador-evaporador com o circuito de circulação interna

de ar do refrigerador;

Desenvolver funções objetivo para avaliação de desempenho de trocadores de

calor e sistemas de refrigeração para serem utilizadas nos processos de

otimização;

vi.

Realizar análises de otimização variando além de características do

evaporador, alterações em outros componentes do sistema de refrigeração,

como por exemplo, no ventilador e no compressor.

Para alcançar os objetivos traçados, foi escolhido como produto de estudo um

refrigerador Brastemp BRM-49, como mostra a Figura 1.6. Este refrigerador é do tipo no-

frost duas portas, com um volume interno útil de 460 litros divididos entre os compartimentos

do congelador e refrigerador. A circulação interna de ar é fornecida por um ventilador axial

que está presente no compartimento do evaporador. Um damper termomecânico com posição

ajustável que, em conjunto com o ventilador, controlam a vazão que circula no interior do

refrigerador.

Introdução 9

Figura 1.6 – Refrigerador ‘no-frost’ estudado (Fonte: www.brastemp.com.br).

1.3. Estrutura da Dissertação

A presente dissertação foi estruturada em cinco partes básicas: i) revisão bibliográfica,

ii) análise experimental e teórica do EFA e do sistema de refrigeração; iii) estudo e

implementação da metodologia de otimização, iv) análises dos resultados e v) conclusões

finais. Estas partes básicas foram organizadas ao longo do texto em 7 capítulos.

O Capítulo 1 diz respeito à presente introdução. No Capítulo 2 é realizada uma revisão

bibliográfica, que faz um apanhado geral sobre os trabalhos que tratam sobre evaporadores

no-frost, modelos matemáticos de sistemas de refrigeração e metodologias de otimização que

serviram de fundamentação para o estudo e análises dos resultados aqui gerados.

No Capítulo 3 são apresentadas as equações básicas e detalhes do conceito do EFA,

juntamente com as análises experimentais (nas quais estão descritas a confecção dos

protótipos e a bancada experimental), modelo matemático do EFA e a sua validação.

No Capítulo 4 é abordado o modelo do sistema de refrigeração e seus sub-modelos

matemáticos. São descritas as equações que regem os principais fenômenos físicos em cada

componente e também é apresentada a integração física e matemática entre eles.

No Capítulo 5 é feita uma discussão a respeito da metodologia e dos critérios de

otimização aplicados ao EFA acoplado ao sistema de refrigeração. Ainda neste capítulo, é

10 Introdução

descrita a implementação computacional dos modelos matemáticos do EFA, do sistema de

refrigeração e dos procedimentos de otimização.

No Capítulo 6, primeiramente, são apresentados os resultados de análise do EFA

individualmente. Em seguida, são apresentados os resultados de validação do modelo

matemático em relação aos dados experimentais para o modelo do EFA acoplado ao sistema

de refrigeração. Tendo sido validado este modelo, são então realizadas as análises e

discussões dos resultados obtidos através da metodologia de otimização.

Finalmente, no Capítulo 7, apresentam-se as conclusões do presente estudo e

recomendações para trabalhos futuros.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O presente estudo compreende a análise teórica, experimental e de otimização de

evaporadores no-frost aplicados a refrigeração doméstica, mais especificamente, de

evaporadores de fluxo acelerado (EFA) utilizados em refrigeradores domésticos. Um foco

maior é dado na pesquisa de trabalhos que se dedicam a trocadores de calor, já que o objetivo

principal do presente estudo é desenvolver uma metodologia de avaliação de evaporadores

no-frost e EFA. Em segundo plano, foi realizada uma pesquisa na literatura por estudos

relacionados à modelagem e otimização de sistemas de refrigeração.

A revisão da literatura foi então dividida em três tópicos principais: i) trocadores de

calor tubo-aleta e no-frost, ii) modelos teóricos de refrigeradores domésticos e iii) estudos de

otimização de sistemas de refrigeração. Nas próximas seções serão apresentadas as

informações acerca dos trabalhos mais relevantes encontrados para cada um dos tópicos

citados.

2.1. Trocadores de Calor Compactos Tubo-Aleta

Estes tipos de trocadores têm como característica principal uma grande área de troca

externa, quando comparada com a área interna. Geralmente, trocadores de calor tubo-aleta são

classificados como compactos por possuírem elevada área da superfície de troca por unidade

de volume (> 700 m

, segundo Shah e Sekulic, 2003), pelo fato de a resistência térmica

dominante normalmente se encontrar no lado externo (que geralmente tem o ar como fluido

de trabalho). Comparativamente, os trocadores de calor usados como evaporadores nos

refrigeradores no-frost não possuem alta densidade de área de aletas do lado do ar (elas são

mais espaçadas) devido à formação de gelo nas superfícies externas dos mesmos quando em

operação.

Uma grande quantidade de trabalhos experimentais sobre transferência de calor e

perda de carga do lado do ar em trocadores de calor compactos tubo-aleta se encontra

disponível na literatura. Revisões desses trabalhos e de correlações para o fator j

de Colburn

O fator j de Colburn é uma representação adimensional do coeficiente de transferência de calor, e será

apresentado no Capítulo 3.

12 Revisão Bibliográfica

e o fator de atrito f

são apresentadas por Shah e Sekulic (2003), Jacobi et al. (2001) e Webb e

Kim (2005).

O estudo de Jacobi et al. (2001) faz um apanhado geral sobre o estado da arte de

trocadores de calor tubo-aletados aplicados à refrigeração doméstica e condicionamento de ar.

Os autores realizaram uma extensa revisão bibliográfica em busca de correlações

experimentais para o fator de atrito f e fator j de Colburn para trocadores com tubos circulares

e tubos achatados, sob condições secas, molhadas e com formação de gelo. Dentre os estudos

pesquisados por Jacobi et al. (2001), se destacam os trabalhos de Gray e Webb (1986) e Wang

e Chang (1998) para avaliação da transferência de calor, e Wang et al. (1996) para o cálculo

da perda de carga em feixes de tubos aletados.

Segundo Jacobi et al. (2001), o trabalho de Gray e Webb (1986) é o estudo mais

freqüentemente citado em pesquisas acerca de trocadores de calor tubo-aleta plana. Contudo,

Wang e Chang (1998) realizaram algumas alterações e atualizações nas correlações de Gray e

Webb (1986), fornecendo uma maior generalidade para o cálculo da transferência de calor

através da ampliação das faixas de parâmetros geométricos utilizados. Logo, o presente

estudo selecionou o trabalho de Wang e Chang (1998) como a base para a avaliação da

transferência de calor em feixe de tubos aletados.

Wang e Chang (1998) realizaram testes experimentais com 11 amostras de trocadores

tubo-aleta para avaliação da troca de calor e da perda de carga, variando os seguintes

parâmetros geométricos: espaçamento entre as aletas, diâmetro dos tubos e espaçamentos

longitudinal e transversal dos tubos. Essas amostras foram testadas também com um

revestimento hidrofílico, para verificar o comportamento termo-hidráulico do trocador sob

presença de água sobre os tubos e aletas no lado do ar. Segundo os autores, este tipo de

revestimento tem o objetivo de reduzir o ângulo de contato e drenar a água que pode se

acumular sobre a superfície das aletas. Em algumas aplicações, quando a temperatura da

superfície é menor que a temperatura de orvalho do ar, há condensação de água na forma de

gotas sob as superfícies das aletas, bloqueando a passagem do ar e aumentando assim a perda

de carga. Analisando os resultados experimentais, Wang e Chang concluíram que superfícies

com revestimento hidrofílico não têm influência significativa sobre a transferência de calor

sob condições secas. Estes autores também propuseram modificações nas correlações de j de

O fator de atrito f é uma representação adimensional da perda de carga, e será apresentado no Capítulo

Revisão Bibliográfica 13

Colburn obtidas por Gray e Weeb (1986), mostrando uma boa concordância tanto com os

dados por eles gerados quanto com os originais de Gray e Webb (1986).

Wang et al. (1996) realizaram ensaios experimentais em túnel de vento com 15

amostras de trocadores de calor de diferentes geometrias, incluindo número de fileiras de

tubos, espaçamento e espessura das aletas. Dos resultados, os autores concluíram que o

espaçamento entre as aletas não afeta de forma significativa a transferência de calor na faixa

testada. Também foi observado que o número de fileiras de tubos não acarretava grandes

mudanças sobre o fator de atrito e que a espessura das aletas não tinha efeito sobre o

coeficiente de troca de calor e fator de atrito. Como o trabalho de Wang e Chang (1998) não

fornecia uma correlação para perda de carga, o trabalho de Wang et al. (1996) foi selecionado

como base para a avaliação deste parâmetro no presente trabalho.

Embora Wang et al. (1996) tenham concluído que o espaçamento entre as aletas não

tem efeito sobre o fator de atrito, Jacobi et al. (2001) discutem a existência de algumas

discrepâncias entre alguns resultados na literatura devido a variações geométricas e incertezas

experimentais. Contudo, na grande maioria dos trabalhos é verificado que o fator de atrito é

mais elevado para menores espaçamentos entre aletas e que o fator j de Colburn é

independente deste espaçamento.

No contexto dos evaporadores empregados em refrigeradores no-frost, observa-se

carência de trabalhos na literatura a respeito do seu comportamento termo-hidráulico. Karatas

et al. (1996) conduziram um estudo experimental da transferência de calor e perda de carga

em evaporadores no-frost. Foram investigados quatro tipos diferentes de evaporadores para

refrigeração doméstica, testados para condições de distribuição uniforme e não-uniforme de

temperatura e velocidade do ar na entrada do trocador. Correlações para f e j foram geradas

em função do número de Reynolds (G

max

/ μ

) entre 300 a 1000, e do fator de aletamento

(definido como a razão entre a área externa total sobre a área dos tubos), entre 1 e 6. Os

autores concluíram que o coeficiente de transferência de calor é fortemente afetado pelo fator

de aletamento, que aumenta com a diminuição do fator de aletamento. Estes autores

observaram também que o fator de atrito se eleva para maiores valores de espaçamento de

aleta.

Lee et al. (2002) investigaram o comportamento da transferência de calor do lado do

ar para três tipos diferentes de configurações de evaporadores no-frost (aletas planas discretas,

aletas planas contínuas e aletas em forma de espinhos (‘spine-fin’). Apesar do pequeno

comprimento e da reduzida área de troca, o evaporador com esta última configuração de aletas

exibiu o melhor desempenho termo-hidráulico sob condições ‘secas’. Os autores propuseram

14 Revisão Bibliográfica

correlações para o coeficiente de transferência de calor em função do número de Reynolds do

escoamento do ar (G

max

/ μ

). As faixas de aplicação das correlações não foram indicadas e

a perda de carga não foi apresentada para nenhum dos três evaporadores testados. Apesar

disso, foi mencionado que a perda de carga para as aletas de espinhos foi menor do que as

observadas para a aletas planas discretas e contínuas.

Melo et al. (2006) realizaram testes in-situ de evaporadores em um refrigerador real

em operação. Três evaporadores praticamente idênticos foram testados com diferentes

configurações de escoamento do lado do refrigerante (contra-corrente, correntes contrárias e

dois passes). Conforme esperado, o arranjo das correntes não exibiu qualquer efeito sobre o

desempenho para graus de superaquecimento na saída do evaporador menores do que 5°C. O

melhor desempenho do sistema para um superaquecimento na saída do evaporador igual a

10°C foi observado para o evaporador de correntes contrárias.

Barbosa et al. (2006) apresentaram resultados experimentais de condutância térmica

global, perda de carga, fator j de Colburn e fator de atrito para oito evaporadores no-frost com

diferentes valores de número e espaçamento entre aletas e número de fileiras de tubos.

Correlações para j e f foram propostas em função do número de Reynolds (G

max

/ μ

), do

fator de aletamento e do número de fileiras de tubos. Os autores verificaram que, para uma

área externa equivalente, evaporadores com menor comprimento apresentam uma melhor

relação custo-benefício entre a perda de carga e a transferência de calor, indicando que as

últimas fileiras de tubos têm uma contribuição menos efetiva para a troca de calor e exercem

ainda uma influencia negativa sobre a perda de carga.

Yang et al. (2006) propuseram um modelo matemático a fim de estimar o

comportamento da formação de gelo em trocadores de calor tubo-aleta. O modelo proposto

foi validado contra dados experimentais para espessura de gelo formada, quantidade de gelo

acumulada e taxa de transferência de calor. Apesar do presente trabalho não abranger o estudo

da formação de gelo em trocadores de calor, o estudo de Yang et al. (2006) serviu como

referência importante para a metodologia de cálculo da transferência de calor e da queda de

pressão desenvolvidas para o EFA sob condições ‘secas’. Esta metodologia consiste em

dividir o trocador de calor em volumes de controle unidimensionais ao longo do escoamento

do ar, nos quais as contribuições individuais dos tubos e das aletas para a transferência de

calor e perda de carga são avaliadas isoladamente. Tal abordagem, entretanto, não é devida

única e originalmente a Yang et al. (2006). Rich (1973) em seu estudo experimental de

trocadores tubo-aleta com aletas planas, propuseram que a força de atrito fosse dividida em

Revisão Bibliográfica 15

uma parcela referente ao escoamento ao redor dos tubos e outra referente ao escoamento

sobre as aletas.

2.2. Modelos Matemáticos de Refrigeradores Domésticos

Gonçalves (2004) propôs uma metodologia numérica para análise térmica de

refrigeradores domésticos. Os componentes do refrigerador foram modelados com base nas

equações fundamentais de conservação da massa e energia para volumes de controle na forma

integral. Informações do refrigerador obtidas experimentalmente foram utilizadas como dados

de entrada, a fim de simplificar e complementar os modelos teóricos. A modelagem desses

componentes forneceu um conjunto de equações (muitas delas não-lineares) que foram

resolvidas utilizando o software EES – Engineering Equation Solver (Klein, 2007), que obtém

a solução das equações algébricas através de uma variante do método de Newton-Rapson. Os

resultados de simulação foram validados contra ensaios experimentais, obtendo uma faixa de

desvio de ±5°C para as temperaturas internas e ±10% para a potência consumida pelo

compressor.

Hermes (2006) desenvolveu uma metodologia para a simulação computacional do

comportamento dinâmico (regime transiente) de refrigeradores domésticos com

movimentação forçada de ar. Modelos específicos para cada um dos componentes do

refrigerador foram elaborados: evaporador, condensador, trocador de calor tubo capilar –

linha de sucção, compressor e compartimentos refrigerados. Todos os modelos apresentados

foram comparados contra dados experimentais e forneceram uma boa concordância. Segundo

o autor, o modelo de simulação do refrigerador é capaz de simular um transiente de partida de

12 horas de um refrigerador doméstico em apenas 30 minutos, ou seja, 24 vezes mais rápido

que o ensaio experimental. Entretanto, tal abordagem ainda é computacionalmente custosa

para ser empregada em uma análise de otimização do sistema de refrigeração e de seus

componentes. Uma estimativa do tempo computacional pode ser obtida multiplicando-se o

tempo de simulação (em torno de 30 minutos) por 2000 (que é em média do número de

simulação que devem ser feitas na obtenção de um ponto de otimização), totalizando 41 dias.

Pereira et al. (2007) propuseram uma metodologia semi-empírica para computar o

consumo de energia de um refrigerador no-frost em regime permanente. Os modelos dos

componentes do refrigerador foram desenvolvidos com base nas equações de conservação da

massa e energia na forma integral. Informações experimentais dos componentes são utilizadas

como dados de entrada para complementar e simplificar os modelos dos componentes do

refrigerador. A metodologia proposta por estes autores é muito semelhante àquela apresentada

16 Revisão Bibliográfica

por Gonçalves (2004). Porém, Pereira et al. (2007) aprimoraram a análise de modo a permitir

o cômputo do consumo de energia do refrigerador, grandeza associada ao comportamento

cíclico do sistema de refrigeração. A metodologia foi validada contra evidências

experimentais obtidas para 16 refrigeradores distintos, com todas as predições para o consumo

de energia situando-se numa faixa de erro entre +5% e -15%. Algumas análises foram

realizadas variando características construtivas de alguns componentes, obtendo impactos

sobre o consumo de energia exibidos na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Impacto no consumo de energia em função das alterações no sistema de refrigeração segundo o

estudo de Pereira et al. (2007).

Alteração no Componente Objetivo Impacto no Consumo de Energia

Redução de uma fileira do evaporador Redução de custo Aumento de 0,5%

Aumento de uma fileira no condensador Redução no consumo Redução de 3,3%

Alteração do deslocamento volumétrico

para 5,09 cm

Redução no consumo Redução de 2,9%

Segundo os autores, todas essas alterações combinadas proporcionam uma redução de

consumo de energia superior a 5%. Estes resultados mostram que reduções significativas tanto

de custo quanto em consumo de energia podem ser obtidas somente modificando parâmetros

construtivos dos componentes, justificando ainda mais o objetivo do presente trabalho.

O trabalho de Pereira et al. (2007) foi aqui utilizado como modelo base para simular o

comportamento do refrigerador em estudo. Este trabalho foi selecionado por avaliar de

maneira razoável o comportamento de um refrigerador no-frost em regime permanente,

incorporando o cálculo do consumo de energia (que é uma característica cíclica) e ainda ter

um baixíssimo custo computacional (em torno de 10 segundos).

2.3. Metodologias de Otimização de Sistemas de Refrigeração

Stewart (2003) desenvolveu um modelo termo-hidráulico para condensadores

acoplado ao modelo de um sistema de refrigeração (aplicação em condicionamento de ar). Em

seu trabalho, foi aplicada uma metodologia de otimização para obtenção de 14 parâmetros de

projeto tendo como função objetivo o próprio COP do sistema. Nesta metodologia, foi

implementado computacionalmente um código do sistema de refrigeração na plataforma EES

(Klein, 2007) acoplado a um programa em Visual Basic (comercializado pela Microsoft),

utilizando um algoritmo de otimização disponível no EES (Simplex Search Method). Seus

Revisão Bibliográfica 17

resultados mostraram que aumentando a área frontal e reduzindo o diâmetro do tubo, a

eficiência do sistema de refrigeração é aumentada para um mesmo valor de custo do

condensador, o mesmo acontecendo para aletas cada vez mais finas, até que a integridade

estrutural destas comece a ser comprometida.

Gomes (2006) realizou uma análise comparativa do desempenho termodinâmico de

compressores alternativos, de pistão rolante e scroll aplicados à refrigeração doméstica. Os

modelos para cada um dos compressores estudados foram baseados em uma abordagem

integral, resultando em um conjunto de equações diferenciais ordinárias que descrevem as

variações das propriedades termodinâmicas do fluido refrigerante ao longo do processo de

compressão. Entretanto, o ponto de interesse neste trabalho se refere à metodologia de

otimização utilizada. O autor desenvolveu uma metodologia de otimização, acoplada aos

modelos de simulação, que permitiu a determinação dos parâmetros construtivos de cada um

dos compressores, de modo a se obter um máximo desempenho do compressor para uma

determinada faixa de capacidade e fluido refrigerante. Esta metodologia consiste em acoplar

os modelos matemáticos dos compressores (escrita na linguagem FORTRAN) a um código

computacional especializado em otimização multi-objetiva, chamado modeFRONTIER 3.1.0

(Multi-Objetctive Optimization and Design Environment), comercializado pela Esteco (2005).

Este código tem como principais características fornecer vários algoritmos de otimização, ser

facilmente acoplado a outros códigos computacionais e fornecer boas ferramentas de pós-

processamento, como gráficos bi e tridimensionais em tempo real durante o processo de

otimização. Por estes motivos, a metodologia de otimização de Gomes (2006) foi aqui

utilizada como base nas análises de otimização aplicadas.

Geralmente, em otimização, é necessária a definição de funções objetivo, que servem

como critérios de comparação entre duas configurações ou sistemas diferentes (vários autores

na literatura, principalmente na área de trocadores de calor, têm utilizado a sigla PEC, do

inglês P

erformance Evaluation Criteria, para se referir a essas funções objetivo). Através da

manipulação das equações que regem os fenômenos físicos e que contém os parâmetros

geométricos destes dispositivos, diferentes PEC podem ser formulados, agrupando de maneira

fisicamente consistente os vários parâmetros do problema, de modo a reduzir o número de

variáveis independentes do projeto. Os PEC associados a trocadores de calor podem ser

classificados quanto aos tipos de escoamentos envolvidos (PEC monofásicos ou bifásicos –

Webb e Kim, 2005), ou também quanto aos princípios termodinâmicos envolvidos nas

análises (PEC baseados na primeira ou segunda lei da termodinâmica - Yilmaz et al., 2005).

18 Revisão Bibliográfica

Yilmaz et al. (2005) apresentam um panorama geral dos PEC baseados na primeira lei

da termodinâmica disponíveis atualmente na literatura. Aproximadamente 100 PEC são

mostrados e revisados. Os autores fizeram várias comparações e relataram que muitos deles

inclusive são relacionados entre si. Algumas recomendações foram sugeridas no sentido de se

determinar quais parâmetros devem ser levadas em consideração na seleção dos PEC. Os

seguintes aspetos foram recomendados:

•

Tipo de escoamento: monofásico ou bifásico;

•

Tipos de superfícies a serem comparadas (fatores que são intrínsecos a cada

tipo de superfície): resistência térmica das paredes e incrustações, configuração

dos tubos e adição de elementos sobre a superfície, como geradores de

vórtices;

•

Restrições: Parâmetros que podem ser mantidos fixos durante a análise,

dependendo da aplicação de interesse, como: vazão, carga térmica, perda de

carga, potência de bombeamento e limites dimensionais;

•

Função objetivo: referente ao objetivo principal que se deseja atingir, como

obter uma máxima troca de calor para uma mínima potência de bombeamento

ou para um mínimo volume de trocador;

•

Tipo do trocador de calor: trocador tubular, compacto, de placas, regeneradores

entre outros. Este aspecto é importante já que alguns PEC são desenvolvidos

somente para alguns trocadores específicos;

•

Considerações sobre o custo podem ser adicionadas.

Todos os PEC revisados por Yilmaz et al. (2005) são referentes somente a trocadores de

calor, não abrangendo nenhum outro componente do sistema.

Pira et al. (2000) realizaram um trabalho de otimização de trocadores de calor

aplicados a sistemas de condicionamento de ar. Uma análise de otimização de vários

parâmetros geométricos e termodinâmicos do evaporador e do condensador foram realizadas,

para quatro categorias de PEC. Dois dos critérios adotados levam em conta somente

parâmetros geométricos dos trocadores de calor, sendo portanto mais indicados nas análises

comparativas entre trocadores individualmente. Estes critérios normalmente se mostram

ineficazes na caracterização do comportamento ótimo do sistema. Assim, os outros dois

critérios levaram em conta o impacto da alteração da geometria do condensador e do

evaporador sobre a eficiência do sistema, e puderam ser mais bem utilizados como uma

Revisão Bibliográfica 19

ferramenta de projeto para o sistema e/ou trocadores de calor. Maiores detalhes a respeito dos

critérios de avaliação de desempenho utilizados por Pira et al. (2000) serão apresentados na

seção 5.1.

2.4. Escopo do Trabalho

A revisão bibliográfica revelou uma ausência de estudos sistemáticos sobre o EFA e

também uma escassez de trabalhos a respeito de evaporadores e refrigeradores no-frost.

Análises de otimização de sistemas que envolvam este tipo de evaporador também são raras

na literatura aberta. Logo, o presente trabalho visa levantar informações teóricas e

experimentais e desenvolver metodologias de cálculo, tanto termo-hidráulico de trocadores de

calor do tipo EFA quanto de otimização de sistemas de refrigeração, que possam vir a fazer

uso de evaporadores no-frost convencionais ou baseados no conceito do EFA.

3. EVAPORADOR DE FLUXO ACELERADO (EFA)

3.1. Aspectos Gerais

Trocadores de calor são dispositivos usados para efetuar a troca térmica entre dois

fluidos a temperaturas diferentes. Tal processo é comum na engenharia, sendo abundantes os

exemplos de aplicação e os tipos de trocadores de calor encontrados em condicionamento de

ar, na produção ou recuperação de energia, na refrigeração e em diversas outras aplicações

(Shah e Sekulic, 2003).

Existe uma grande variedade de tipos de trocadores de calor, tanto no que diz respeito

à disposição do escoamento quanto à geometria e à forma construtiva. O tipo de trocador aqui

estudado é um trocador ar-líquido (ou ar-mistura bifásica) de tubos circulares e aletas planas

contínuas e descontínuas dispostas do lado do ar (comumente chamado de trocador tubo-

aleta).

O objetivo deste capítulo é apresentar as equações básicas que regem os principais

fenômenos em trocadores de calor, o conceito do EFA, a análise experimental e o modelo

matemático desenvolvido para o EFA.

3.1.1. Equações Básicas para Trocadores de Calor: Transferência de calor

Equação de Balanço de Energia

Considere o problema fundamental da transferência entre duas correntes a

temperaturas distintas, escoando no mesmo sentido

e separadas por uma parede (Figura 3.1).

Admite-se regime permanente, variações das energias cinética e potencial desprezíveis,

ausência de mudança de fase e calores específicos constantes. Os balanços de energia em

volumes de controle infinitesimais em cada corrente fornecem (Kakaç e Liu, 2002),

A análise para um trocador de correntes com sentidos opostos é análoga e, por brevidade, não será

apresentada aqui. Maiores detalhes podem ser encontrados em Kakaç e Liu (2002) e Incropera e DeWitt

(1992).

22 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+−=−

cmcm

QTTd

(3.1)

onde

é a vazão em massa, c

é o calor específico a pressão constante e Q

é a taxa de

transferência de calor. Os sub-índices q e f se referem aos fluidos quente e frio,

respectivamente.

Fronteira Sólida

e s

AA + dA

dTT

Isolamento

ffpf

Tcmi

,)(,

ffpf

Tcmi

,)(,

qqpq

Tcmi

,)(,

qqpq

Tcmi

,)(,

Figura 3.1 – Balanço global de energia para os fluidos quente e frio para um trocador de calor de dois fluidos.

A taxa de transferência de calor e a diferença entre as temperaturas das correntes se

relacionam através da Lei de Resfriamento,

(

)

dATTUQ

−=

(3.2)

onde U é o coeficiente global de transferência de calor. Admitindo que U seja constante ao

longo do trocador, tem-se que, mediante a eliminação de Q

das Eqs. (3.1) e (3.2),

(

)

()

()()

∫∫

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+−=

−

cmcm

TTd

(3.3)

onde os sub-índices e e s se referem à entrada e à saída das correntes paralelas,

respectivamente. Integrando a equação acima e substituindo os balanços de energia em cada

corrente dados por,

()

sqeq

−

(3.4)

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 23

()

efsf

−

(3.5)

tem-se que (Kakaç e Liu, 2002),

()

UAQ

ΔΔ

−

(3.6)

onde o terceiro fator do lado direito do sinal é a média logarítmica da diferença de

temperaturas, na qual as diferenças de temperaturas na entrada e saída do trocador de calor

são dadas por (ver Figura 3.2),

efeqe

TTT

−

(3.7)

sfsqs

TTT

−

(3.8)

distânciaouáreadetroca

(

)

−

Figura 3.2 – Balanço global de energia para os fluidos quente e frio para um trocador de calor de dois fluidos.

Em um evaporador onde a perda de carga do lado do refrigerante é desprezível e em

que os estados do refrigerante na entrada e na saída são de líquido e vapor saturado, é justo

assumir que T

f,e

= T

f,s

= T

. Nesse caso, tanto a análise térmica de um trocador de correntes

paralelas (Eq. 3.6) ou opostas se reduz a,

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

−=

fsq

feq

sqeq

TTUAQ

(3.9)

24 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Coeficiente Global de Transferência de Calor

Uma parte essencial da análise de um trocador de calor é a determinação do

coeficiente global de transferência de calor, U. Este coeficiente é definido em termos da

resistência térmica total à transferência de calor entre os dois fluidos, a qual engloba as

resistências devidas à condução pela parede que separam as correntes e à convecção entre as

correntes e às faces da parede em contato com os fluidos. Um parâmetro que pode se tornar

importante no cálculo da resistência térmica total é o fator de incrustação (fouling factor –

R’’

) que, dependendo da aplicação, pode contribuir consideravelmente para a deterioração da

transferência de calor em um trocador. Um tipo de incrustação recorrente em evaporadores

no-frost, que poderia ser considerado como uma incrustação intermitente, é a formação de

geada na superfície externa. Além disso, outro parâmetro de grande relevância é a presença de

aletas nas superfícies expostas a uma ou a ambas as correntes. A presença das aletas aumenta

a área superficial e, conseqüentemente, diminui a resistência térmica convectiva. Assim,

levando em conta a presença de todos os parâmetros citados, a condutância térmica global,

UA, pode ser calculada por,

UA )(

)(

ηηηη

++++==

(3.10)

onde

R se refere à resistência térmica condutiva da fronteira sólida (parede) entre os dois

fluidos,

A diz respeito à área de troca de calor (interna ou externa), h é o coeficiente de

transferência de calor e

é a eficiência da superfície, definida como um fator de correção da

não-uniformidade da distribuição de temperaturas na superfície devido à presença das aletas.

Outro parâmetro que pode ser importante em trocadores tubo-aleta é a resistência

térmica de contato entre os tubos e as aletas. Tal efeito é minimizado quando as últimas são

soldadas ou brazadas aos tubos. Contudo, em alguns tipos de trocadores de calor, os processos

de fabricação e montagem inviabilizam esta medida, dificultando a quantificação da

resistência térmica de contato. Nesse caso, o efeito da resistência térmica de contato não é

computado isoladamente e, numa abordagem experimental, acaba sendo incorporado à

resistência térmica devido à convecção sobre a superfície aletada.

Em evaporadores de sistemas de refrigeração doméstica, os fatores de incrustação são

normalmente desprezíveis (e a formação de geada na superfície externa não é considerada em

cálculos de projeto). Metais de alta condutividade térmica, como alumínio e cobre, são usados

na fabricação dos tubos e aletas. Desse modo,

~ 1 (já que para os trocadores aqui estudados

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 25

os valores de eficiência das superfícies variam entre 0,9 e 0,98),

~ 0, e a Eq. (3.10) pode

ser simplificada na forma,

hAhA

)(

+≅

(3.11)

As ordens de grandeza dos coeficientes de convecção dos lados interno (

f) e externo

(

q) de um evaporador podem ser avaliadas a partir dos valores típicos apresentados na Tabela

3.1. Assim,

32143421

ExternoLado

InternoLado

100

000.10

+≅

(3.12)

Tabela 3.1 – Ordem de magnitude do coeficiente de transferência de calor (Kakaç e Liu, 2002).

Fluido

h, W/(m

Gases (convecção natural) 3-25

Gases (convecção forçada) 25-250

Líquidos (convecção natural) 50-1000

Líquidos (convecção forçada) 100-20.000

A Eq. (3.12) compara as resistências térmicas do lado externo (ar) e interno (líquido)

do evaporador. É evidente que melhorias na transferência de calor destes trocadores devem

ser realizadas no lado externo

, já que um decréscimo de 10% na resistência térmica do lado

externo é equivalente a uma redução de 100% no lado interno, para uma relação entre as áreas

internas e externas da ordem de 10 (A

= 10). Esta equação também mostra que uma

redução significativa da resistência térmica do lado externo pode ser obtida se a área de troca

externa for aumentada. Entretanto, um acréscimo de área significa um aumento no custo

material e de potência de bombeamento do ar, uma vez que a impedância ao escoamento do

lado do ar aumenta sensivelmente com a área externa (para um volume fixo).

Logo, a partir deste ponto no presente trabalho, os efeitos de transferência de calor e

perda de carga serão considerados somente para o lado externo do evaporador, levando em

conta somente a temperatura do fluido interno (suposta constante ao longo do evaporador). A

temperatura da superfície da parede externa dos tubos do trocador é calculada aplicando-se

26 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

uma correção à temperatura do escoamento interno, proporcional à resistência térmica

combinada (em série) da convecção interna e da condução na parede do tubo. Nos

experimentos do presente trabalho, esta correção é pequena (da ordem de 0,2

C) devido às

baixas resistências térmicas da convecção interna e da parede do tubo.

Levando em conta somente a resistência externa, e admitindo que o coeficiente de

transferência de calor seja constante, a Eq. (3.9) pode ser escrita na forma,

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

−=

wsq

weq

sqeqo

TThAQ

(3.13)

onde h é o coeficiente de transferência de calor do lado externo e A é a área de troca do lado

externo. T

e T

são as temperaturas da parede e do fluido quente (externo), e os sub-índices e

e s denotam entrada e saída, respectivamente. O termo entre colchetes é a média logarítmica

da diferença de temperaturas para um trocador de calor com uma corrente de capacidade

térmica infinita (Kakaç e Liu, 2002).

Em função da eficiência da aleta, a eficiência da superfície é dada por (Kakaç e Liu,

2002),

)1(1

ηη

−−=

(3.14)

onde

A é a área superficial das aletas e

é a eficiência de uma aleta. No presente estudo,

os trocadores de calor possuem aletas planas e contínuas, cujas eficiências são calculadas a

partir do método empregado por Perotin e Clodic (2003), apresentado no Apêndice I.

Usualmente, na análise de trocadores de calor compactos, o coeficiente de

transferência de calor para superfícies estendidas é adimensionalizado com base no fator j de

Colburn, definido por,

3/23/2

3/1

PrPrSt

PrRe

j ===

(3.15)

onde St, Pr e c

são, respectivamente, os números e Stanton e de Prandtl e o calor específico

do fluido do lado externo. G

é o fluxo de massa definido por,

max

(3.16)

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 27

onde

é a vazão em massa total do fluido e A

é a mínima área livre de passagem na seção

transversal do canal externo.

3.1.2. Equações Básicas para Trocadores de Calor: Queda de Pressão

No projeto de trocadores de calor com apenas líquidos como fluidos de trabalho, uma

precisa caracterização da perda de carga das correntes não costuma ser importante, devido à

baixa potência requerida para bombear fluidos com alta densidade. Entretanto, em trocadores

envolvendo gases, a determinação da perda de carga é tão importante quanto às características

referentes à transferência de calor. A equação que define a potência de bombeamento é dada

por,

pmpV

ρηη

(3.17)

onde

ρ, V

e pΔ são, respectivamente, a densidade, a vazão volumétrica, a vazão em

massa e a queda de pressão do escoamento.

é o rendimento da bomba/ventilador cuja

função é bombear o fluido.

O perfil da pressão ao longo de um trocador de calor (canais de placas) é mostrado na

Figura 3.3. A partir do diagrama, é possível verificar que a variação de pressão do fluido ao

atravessar o trocador pode ser dividida em três parcelas (Kays e London, 1984): i) entrada, ii)

saída e iii) região central. A combinação destas três parcelas fornece a queda de pressão total,

dada pela seguinte relação,

sbbaaetotal

pppp

−−−

−

(3.18)

Regiões de entrada e saída

A região de entrada é compreendida entre os pontos e e a da Figura 3.3 e sua variação

de pressão consiste na contribuição de duas parcelas: 1) variação reversível devida à mudança

de seção (efeito Bernoulli) e 2) irreversível devida à contração repentina. Na região de

entrada, existe uma redução de pressão e, em seguida, uma recuperação devida à formação da

vena-contracta. Já na região de saída, pode ser observada uma recuperação da pressão devida

ao aumento da área de seção transversal, o que diminui a velocidade do escoamento, e

conseqüentemente, aumenta a pressão.

28 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Escoamento

de Ar

)

e-a

)

a-b

)

s-2

)

total

44443444421

Central Região

4434421

Entrada

43421

Saída

Figura 3.3 – Diagrama da variação de pressão e as componentes do escoamento ao longo de um trocador de

calor.

Considerando o escoamento incompressível e assumindo se tratar de um pequeno

trecho, onde a variação de temperatura não altera de maneira significativa a densidade, da

equação de Bernoulli pode ser obtida a parcela reversível por,

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=−

222

eaeea

rev

VVVV

(3.19)

onde

é a densidade na entrada do trocador. Da equação da continuidade tem-se que,

σρρ

=⇒=

aaceeefre

VAVA

(3.20)

onde

é a razão entre área mínima de escoamento e a área frontal (A

). Substituindo a

Eq. (3.20) e a (3.16) na Eq. (3.19), tem-se a parcela reversível dada por,

()

−=−

rev

(3.21)

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 29

Já a parcela irreversível é conseqüência da separação do escoamento e do escoamento

secundário que produzem variações irreversíveis de pressão, as quais podem ser estimadas

pelo fator de contração repentina

, dado pela seguinte expressão,

()

irrev

Kpp

==−

(3.22)

O coeficiente

pode ser obtido de livros-texto sobre Mecânica dos Fluidos (Fox e

McDonald, 1995), onde os coeficientes determinados experimentalmente são apresentados

para várias geometrias em função do número de Reynolds.

Somando as Eq. (3.21) e (3.22) chega-se à queda de pressão relativa à região de

entrada, dada pela seguinte relação,

()

p +−=Δ

−

(3.23)

Fazendo uma análise semelhante para a região de saída (entre os pontos

b e s), obtém-

se,

()()

exp

−−=−−=Δ

−

(3.24)

Região central

A queda de pressão nesta região (entre os pontos a e b) consiste também de dois

termos: 1) devido à fricção do fluido e 2) relativos a possíveis contrações e expansões internas

através desta região.

Aplicando a segunda lei de Newton no volume de controle infinitesimal da Figura 3.4,

chega-se a,

PdxAdx

ppA

wcc

ρρρ

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−=−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(3.25)

onde, no contexto de um trocador de calor tubo-aletas,

contempla a tensão de

cisalhamento na parede e o arrasto de forma.

P é o perímetro molhado da superfície em

contato com o fluido.

30 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

max

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ρρ

Pdx

Adx

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Figura 3.4 – Balanço de quantidade de movimento no volume infinitesimal dx da Figura 3.3.

O fator de atrito de Fanning, f , é a tensão de cisalhamento adimensionalizada pela

pressão dinâmica do escoamento,

max

(3.26)

Substituindo a equação anterior na Eq. (3.25) e rearranjando-a, obtém-se,

PfG

ρρ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=−

(3.27)

Pode-se definir o diâmetro hidráulico como sendo,

(3.28)

onde A é a área da superfície em contato com o fluido.

Usando d(1/ρ) = - (1/ρ

)dρ e integrando a Eq. (3.27) entre x = 0 (onde ρ = ρ

e p = p

)

e x = L (onde ρ = ρ

e p = p

), chega-se à queda de pressão total da região central,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−−=−=Δ

−

baba

ppp

(3.29)

onde (1/ρ)

= v

é o volume específico médio ao longo do trocador, que pode ser

representado por (para pequenas mudanças de pressão),

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

==≈

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⇒=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∫

ρρρρρρ

1111

(3.30)

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 31

Queda de Pressão Total

A queda de pressão total no trocador de calor de tubos aletados é obtida através da

substituição das Eqs. (3.23), (3.24) e (3.29) na Eq.(3.18), fornecendo,

() ()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−−−+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−++−=Δ

−−

44434442143421

43421

4434421

saída

exp

atrito

inércia

entrada

121

cae

total

(3.31)

Geralmente, nesses trocadores de calor, as parcelas irreversíveis da queda de pressão

devidas à entrada e à saída do trocador são da mesma ordem de magnitude, sendo

incorporadas no fator de atrito f, que é normalmente obtido experimentalmente. A partir desta

simplificação (ou seja, K

= K

exp

= 0), tem-se que,

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−++=Δ

4434421

43421

inércia

saída e entrada atrito,

total

(3.32)

3.1.3. Conceito do Evaporador de Fluxo Acelerado

A intensificação da transferência de calor no Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) é

uma conseqüência do aumento da velocidade do ar ao longo do trocador em função da

conservação da massa. Trocadores de calor tubo-aleta convencionais (dentre eles os

evaporadores no-frost) têm a dimensão da seção transversal ao escoamento do lado do ar

constante em função da distância à seção de entrada. No EFA, esta dimensão (mais

especificamente, a altura H da Figura 3.5) diminui gradativamente com a distância,

acelerando assim o fluxo de ar. De acordo com a conservação da massa, à medida que a seção

de passagem se torna mais estreita, a velocidade do ar aumenta e, pelo efeito Bernoulli, a

pressão diminui. Desta forma, em conseqüência do aumento da velocidade do fluxo de ar (ou

seja, do número de Reynolds local), espera-se também que o coeficiente de transferência de

calor local entre o ar e as superfícies do trocador, h, aumente. Assim, o intuito do EFA é

compensar a redução da área da superfície de troca de calor através de um aumento de h. A

geometria típica e os parâmetros geométricos do EFA são apresentados na Figura 3.5.

A relação que define a variação da dimensão H da seção transversal ao fluxo de ar no

EFA é dada por,

32 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

HzH

)(

−

(3.33)

‘Bends’

DireçãodoEscoamento

(z)

Figura 3.5 – Nomenclatura dos parâmetros geométricos do EFA.

Entretanto, a aceleração sofrida pelo escoamento que atravessa o EFA promove um

aumento na perda de carga do lado do ar. Logo, fica evidente a importância de um estudo

sistemático dos parâmetros geométricos do EFA para identificar uma geometria que seja

benéfica à transferência de calor, mas que não penalize de maneira excessiva a queda de

pressão. Este estudo, conduzido pela primeira vez no presente trabalho, foi divido em duas

partes: i) análise experimental e ii) modelo analítico, as quais são descritas nas seções a

seguir.

3.2. Análise Experimental

Não há na literatura aberta nenhuma avaliação experimental sistemática de trocadores

de calor de fluxo acelerado, de sorte que um estudo experimental avaliando os efeitos da

variação de algumas características geométricas e termo-hidráulicas teve de ser realizada.

Para a execução destes experimentos foi construída uma bancada experimental e foram

testados 14 protótipos de EFA, com diferentes espaçamentos de aletas, altura de seção

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 33

transversal de saída (dimensão

H) e comprimento (dimensão L). A seguir, na Seção 3.2.1. ,

será descrito o projeto e a confecção dos protótipos e, na seqüência, na Seção 3.2.2. , será

apresentada a descrição da bancada, procedimentos e os resultados experimentais.

3.2.1. Lei de formação dos tubos e Confecção dos protótipos

Para dar início à confecção dos protótipos, foi necessário definir as configurações e os

parâmetros geométricos a serem avaliados. Os seguintes parâmetros foram definidos como os

mais importantes para a análise experimental:

Número de aletas (2, 30 e 60 aletas)

;

ii.

Altura da seção transversal de saída (H

=1, 1/2 e 1/5).

Outro parâmetro importante é a disposição geométrica dos tubos (arranjo alinhado ou

desencontrado, e os valores dos espaçamentos longitudinal e transversal) devido à sua forte

influência no padrão do escoamento do ar e, conseqüentemente, na transferência de calor.

Como o EFA é um novo conceito, não se tinha disponível uma geometria de referência

para a disposição dos tubos (por exemplo, um evaporador já comercializado em um produto).

Foi necessário então desenvolver uma “lei de formação” para ser seguida no momento do

posicionamento dos tubos nos protótipos. Sem uma regra para a disposição dos tubos, o

posicionamento relativo dos mesmos poderia diferir significativamente para as diferentes

configurações das aletas (

=1, 1/2 e 1/5) e não seria possível isolar o real papel da

aceleração do escoamento na transferência de calor. Claramente, a “lei de formação” deve se

aplicar tanto aos evaporadores convencionais quanto aos EFA. Devido a questões construtivas

e de geometria, algumas restrições devem ser seguidas no processo de posicionamento dos

tubos, como segue:

Ser aplicável a evaporadores com: H

= 1, H

= 1/2 e H

= 1/5 (Figura

3.6) e a outras configurações intermediárias, ou seja, para valores de

= 1/3,

por exemplo;

ii.

Os conectores curvos de 180º que interligam os tubos (“bends”) devem ter

dimensões idênticas em todo o trocador de calor. Nos protótipos do presente

trabalho, esta dimensão é de 21 mm (ver Figura 3.5);

As aletas presentes nos trocadores com apenas duas aletas têm a única finalidade de dar rigidez

estrutural para os tubos, não sendo adicionada com o objetivo de aumentar a área de troca de calor.

34 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

iii. A razão entre a área da aleta e a área da seção transversal dos tubos é constante,

independente do valor de

EFA Reto EFA 1/2 EFA 1/5

Figura 3.6 – Formato das aletas para H

/ H

= 1, 1/2 e 1/5, respectivamente.

A partir das restrições citadas, uma rotina de posicionamento foi desenvolvida, e pode

ser obtida com os seguintes passos (ver Figura 3.7):

1º Passo- Posicionar o primeiro tubo no canto onde as duas arestas da aleta

formam um ângulo reto, deixando uma distância mínima entre a borda da aleta e o

contorno do tubo (

Canal), conforme mostra a Figura 3.7. A largura escolhida para o

Canal deve ser tal que o canal resultante junto à aresta L da aleta tenha uma largura

semelhante ao canal formado em relação à aresta

;

2º Passo- Traçar linhas (P) com um ângulo α (onde α = 60° + θ ) em relação à

horizontal (ver Figura 3.7), paralelas e igualmente espaçadas de

(onde e

é definido

pelo comprimento do

Bend). Uma destas linhas deve cruzar o centro do primeiro tubo

adicionado. Estas medidas irão fazer com que os tubos fiquem dispostos de maneira

desencontrada em relação ao escoamento, já que este tipo de disposição torna a

transferência de calor em feixe de tubos mais eficiente;

3º Passo - Com as linhas P desenhadas, adicionar tubos horizontalmente em

direção da aresta

L’, espaçados de e

até que o diâmetro de ação d

toque ou ultrapasse

a aresta da aleta (ver Figura 3.7). O diâmetro de ação do tubo (

) é definido por,

tubo

dd 2

(3.34)

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 35

O tubo que toca ou ultrapassa a aresta é eliminado;

4º Passo – O tubo anterior àquele que tocou ou ultrapassou a aresta da aleta no

3º Passo é dito como o último tubo válido da 1ª linha (ver Figura 3.7). Os próximos

tubos são então adicionados segundo os seguintes sub-passos:

i) Após o

último tubo válido da linha anterior, o 1º tubo da linha é adicionado

sobre uma linha

P. Este tubo é ligado ao tubo anterior pelo Bend, ou seja, espaçado de

do tubo anterior;

ii) O próximo tubo desta nova linha deve ser adicionado na posição horizontal

e seguir na mesma direção que estavam sendo inseridos os tubos da linha anterior (no

caso do exemplo da Figura 3.7 na primeira linha o último tubo foi inserido na direção

da aresta

L’, logo, os tubos da segunda linha foram adicionados nessa direção até que

fosse alcançado a aresta

L’ na segunda linha). Porém, se este novo tubo for adicionado

e o seu diâmetro de ação tocar ou ultrapassar a aresta, deve-se inverter a direção e

inserir os próximos tubos nesta nova direção. Quando o diâmetro de ação tocar ou

ultrapassar a aresta deve-se então passar para uma linha acima;

iii) Ao avançar para uma nova linha, deve-se retornar para sub-passo (i). Este

último procedimento se repete até que não seja possível alcançar nenhuma das linhas

P sem que o diâmetro de ação alcance as arestas da aleta.

5º Passo – A partir do último tubo válido do 4ºPasso, o novo tubo é inserido na

direção vertical e em seguida, usando o

Bend como um braço de alavanca, o tubo é

rotacionado até que o diâmetro de ação toque a aresta. O tubo deve ser rotacionado na

direção oposta a direção que o tubo anterior foi adicionado. Os tubos são então

inseridos conforme este procedimento até que não seja possível nenhuma outra

posição que o diâmetro de ação não ultrapasse as arestas da aleta;

36 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Canal

1º Passo 2º Passo 3º Passo

Tubo Eliminado

Aleta

4º Passo

5º Passo Configuração Final

Tubos Eliminados

Último tubo

válido da 1ª

linha

Último tubo

válido da

2ª linha

Último

tubo válido

da 3ª linha

Último tubo

válido para

o 4º passo

Último tubo

válido para

o 4º passo

Bend

Ø d

PPP P

L L' L L'

PPP P

Figura 3.7 – Procedimento de posicionamento dos tubos segundo a “lei de formação” desenvolvida.

Tendo definido as configurações geométricas dos trocadores (Figura 3.8), foi possível

realizar a confecção dos protótipos. Os desenhos dos EFAs, com suas respectivas cotas, são

apresentados no Apêndice II. A rotina de posicionamento também foi implementada

computacionalmente através de um algoritmo, para que fosse possível determinar a posição

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 37

dos tubos para valores de

intermediários aos construídos nos protótipos. Uma interface

gráfica, que fornece o desenho da aleta com os respectivos tubos foi desenvolvida com base

neste algoritmo, e será ilustrada na Seção 5.4.3.

EFA Reto EFA ½ EFA 1/5

Figura 3.8 – Configuração final dos tubos com H

/ H

= 1, 1/2 e 1/5, respectivamente.

Foram testados 15 evaporadores, dos quais 14 eram protótipos confeccionados

exclusivamente para os experimentos e o outro era um evaporador idêntico ao utilizado no

refrigerador em estudo (aqui chamado de Original 52 aletas). A Tabela 3.2 mostra 12

evaporadores apenas, já que exemplares idênticos aos protótipos #2 (Reto 30 aletas), #4 (EFA

½ 60 aletas) e #8 (EFA 1/5 30 aletas) foram confeccionados para se avaliar a repetibilidade

com relação à construção dos mesmos. Dois evaporadores, #10 e #11 (

L = 38,4 mm e 46 e 60

aletas, respectivamente), de seção transversal constante (ou seja, retos), foram confeccionados

com o intuito de se analisar o efeito da altura na transferência de calor.

Ao contrário dos outros exemplares da família dos EFA, o trocador Original 52 aletas

apresenta aletas descontínuas (cujo comprimento é igual a 36 mm) que abrangem duas fileiras

consecutivas de tubos. O espaçamento entre as aletas é variável com relação à direção do

escoamento do ar, sendo maior na seção de entrada e menor na de saída (ver Figura 3.9). No

trocador em questão, o espaçamento entre as aletas é de 15 mm para as aletas que tomam a

primeira e a segunda fileiras de tubos, de 10 para terceira e quarta fileiras e 5 mm para os

pares de fileiras subseqüentes (ou seja, da quinta e sexta até a nona e décima fileiras).

38 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Aletas contínuas

Aletas descontínuasEspaçamento entre aletas variável

Espaçamento entre aletas constante

Evaporador Original

Evaporador EFA

Figura 3.9 – Algumas das diferenças geométricas entre os evaporadores Original e EFA.

Todos os protótipos foram confeccionados com tubos de cobre com diâmetro externo

de 8,8 mm. As aletas foram fabricadas em alumínio com 0,25 mm de espessura, exceto as

aletas de base ou estruturais (ou seja, aquelas posicionadas em ambas as extremidades), que

têm espessura de 1 mm. O processo de montagem das aletas sobre os tubos foi realizado pela

empresa Whirlpool SA com uma matriz para montagem das aletas e uma bomba hidráulica

para expansão dos tubos.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 39

Tabela 3.2 – Protótipos e principais parâmetros dos EFA’s.

Nomenclatura

do evaporador

(mm)

N° de

aletas

N° de tubos

Área total

)

Espaçam.

aletas (mm)

Massa total

(kg)

59,5 60 20 1,40 5,2 1,242

59,5 30 20 0,78 10,3 1,030

59,5 2 20 0,18 310,0 0,823

29,75 60 15 1,05 5,2 0,884

29,75 30 15 0,59 10,3 0,843

29,75 2 15 0,14 310,0 0,585

11,9 57 12 0,79 5,5 0,734

11,9 30 12 0,48 10,3 0,643

11,9 2 12 0,12 310,0 0,522

59,5 60 4 0,34 5,5 0,374

59,5 46 4 0,27 6,7 0,338

59,5 52

20 0,99 6,5

0,846

Número médio de aletas.

Espaçamento médio entre as aletas

40 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

3.2.2. Aparato Experimental

Uma bancada experimental foi construída com a finalidade de se obter o

comportamento da queda de pressão e a transferência de calor dos protótipos dos EFA e dos

demais trocadores analisados. O aparato experimental foi projetado segundo as normas

ASHRAE 41.2 (1987), ASHRAE 37 (1988) e ASHRAE 51 (1999). A Figura 3.10 mostra os

principais componentes deste aparato, montado no laboratório de testes. A Figura 3.11

apresenta um evaporador montado e instrumentado na seção de testes pronto para ser testado.

A bancada consiste basicamente de um túnel de vento aberto (circuito de ar), acoplado a um

circuito de água que controla a vazão e temperatura da água, que circula dentro do trocador de

calor. A concepção, descrição dos circuitos de água e ar, sistemas de aquisição e controle,

procedimentos de testes e os limites de operação da bancada, serão apresentados a seguir.

Figura 3.10 – Bancada experimental para evaporadores no-frost e EFA.

Figura 3.11 – Evaporador montado e instrumentado na seção de testes.

Túnel de Vento

Circuito de Água

Seção de Testes

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 41

Escolha do Conceito do Aparato Experimental

Dos trabalhos analisados na revisão bibliográfica, os trabalhos de Melo et al. (2006) e

Lee

et al. (2002) foram utilizados como base para a concepção da bancada experimental.

Ambos os trabalhos testaram evaporadores semelhantes, porém com estratégias diferentes.

Melo

et al. (2006) realizaram testes in-situ, ou seja, no próprio refrigerador em condições

reais de operação. Já Lee

et al. (2002), optaram por um calorímetro de túnel de vento, onde as

condições de operação (apesar de diferentes das condições reais do refrigerador) podem ser

mais bem controladas e os parâmetros medidos com maior precisão. A bancada utilizada por

Lee

et al. (2002) é esquematizada na Figura 3.12.

Banho

Termostáti co

Banho

Termostáti co

Fluxímetro

Trocadode Cal o r

Mediçãode 

Temperaturana

saídadoar

IsolamentoTérmico(EspumadePo liestireno‐ 80mm)

PlacadeAcrílico

Tela

Entrada

doAr

Misturador

dear

Tela

SeçãodeTe s te

Mediçãode Temper atur anaentradadoar

Bocais

Saídado

Manôme troDifere ncial

Túne l de

Vento

Figura 3.12 – Esquema do aparato experimental utilizado por Lee et al (2002).

No presente trabalho, o mesmo princípio de funcionamento (túnel de vento de circuito

aberto) é utilizado. Contudo, baseado nas recomendações das normas ASHRAE (1987, 1988,

1999), foram redesenhadas as dimensões e o posicionamento das medições de temperatura e

tomadas de pressão, como apresentado na Figura 3.13.

42 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

1250400300

500

SCREEN

Dimensions in milimeters

800 100

TEMPERATURE

MEASUREMENT

EVAPORATOR

200400400300

500

100

SCREEN

T EMP ERAT URE

ME ASUREME NT

NOZZLE

SCRE EN

WATER BATH

FLOWMETER

4350

DI F FERE NTI A L

MANOMETER

Banho

Termostático

Medição de

Temperatura

Medição de

Temperatura

Evaporador

Medição de

Temperatura

Transdutor de

Pressão Diferencial

Tela Bocais

Tela

Ventilador

800

Sala de Testes

Fluxímetro

100

Circuito de Água Sistema de medição de

Vazão

Sistema de Controle de

Temperatura Ambiente

Seção de Teste

Isolamento

Térmico

Sistema de

Bombeamento de Ar

Bomba

Reservatório

de Água

Trocadores

Dimensões em milímetros

Figura 3.13 – Diagrama esquemático mostrando a bancada e suas principais dimensões e o circuito do ar no

laboratório de testes.

A seguir serão descritos em detalhes cada um dos sistemas que compõem o aparato

experimental.

Circuito de Ar

O túnel de vento de ciclo aberto é o elemento principal do circuito de ar, o qual é

composto por cinco sistemas básicos: i) sistema de controle de temperatura ambiente; ii)

sistema de bombeamento de ar; iii) seção de teste; iv) sistema de medição de vazão de ar e v)

isolamento térmico. Estes componentes estão dispostos conforme apresentado na Figura 3.13.

sistema de controle da temperatura ambiente compreende um condicionador de ar

do tipo

split de 17100 Btu (5 kW) de fabricação Cônsul (modelo CBI180BBNA), um

microcontrolador de chaveamento (Eurotherm, modelo 2016e) e um temporizador (DIGImec,

modelo DTE-1). Originalmente, o condicionador de ar já disponibilizava um controle de

temperatura, porém, sua banda de controle variava em torno de ± 2°C. Esta banda de controle

não era pequena o suficiente para se atingir condições de teste estáveis. Como os testes

realizados seriam em regime permanente, variações de temperatura desta magnitude

exerceriam uma influência significativa na temperatura de entrada do ar no túnel de vento.

Como o túnel de vento é de circuito aberto, a temperatura do ar na entrada do túnel é a própria

temperatura ambiente do laboratório. Assim, de forma a se manter uma banda de variação da

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 43

temperatura ambiente inferior a ±0,5°C, um sistema externo de controle da temperatura

acoplado ao condicionador de ar teve de ser desenvolvido.

Para realizar o controle externo, o sensor de temperatura original do condicionador de

ar, que se encarregava de ligar e desligar o compressor, foi desconectado. No lugar deste

sensor, foi conectado um microcontrolador que, ao invés do sensor original, disponibiliza um

ajuste variável da banda de controle.

Um temporizador também teve de ser acoplado ao sistema, para garantir que o

compressor não partisse antes que as pressões dentro dos componentes do sistema de

refrigeração estivessem equalizadas. Caso isso ocorresse, a potência consumida pelo

compressor seria muito elevada e também a vida útil do mesmo seria reduzida drasticamente,

já que o compressor teria que partir contra altas pressões. Foi realizado um teste e verificado

que as pressões dentro do sistema de refrigeração do condicionador de ar se estabilizavam em

torno de 60 segundos, intervalo de tempo este configurado no temporizador para garantir que

o compressor só realizasse a partida após a equalização das pressões.

A distribuição das temperaturas no interior do laboratório foi medida por 9 termopares

do tipo T. Como o microcontrolador possuía apenas um único canal de medição de

temperatura, foi realizada uma média física das 9 medições, isto é, todos os terminais de

constantan foram conectados no terminal negativo e os de cobre no terminal positivo. Após a

implementação do sistema de controle de temperatura ambiente a variação da temperatura da

sala passou de ± 2°C para ± 0,4°C.

sistema de bombeamento de ar é composto por um banco de 2 trocadores de calor

(tubos de cobre e aletas de alumínio, com espaçamento de aleta de 5 mm, área frontal de

0,084 m

e 500 mm de comprimento), um reservatório de água de 5 litros, uma bomba de

água de 17W (Askoll, modelo CB602440), um circuito de dutos isolados termicamente por

uma manta elastomérica de 6 mm de espessura, um ventilador radial de velocidade variável de

51 W (EBM Papst, modelo G1G144-AE13-50), uma fonte de alimentação para o ventilador

(fonte de tensão variável MCE, modelo 3001) e um bocal divergente com uma tela e feltro na

saída. A Figura 3.14 mostra um diagrama esquemático deste sistema.

O ar ambiente, a uma temperatura controlada, passa pelo banco de trocadores de calor,

cuja função é evitar que a temperatura do ar que entra no túnel de vento sofra variações

significativas. A adição deste sistema de estabilização é um controle de temperatura adicional

que visa reduzir ainda mais a banda de variação da temperatura ambiente obtida com o

controle de temperatura descrito anteriormente.

44 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Ventilador Radial

Trocadores de

calor

Ar proveniente da

sala de testes

Ar na entrada do

túnel de vento

Reservatório

de água

Bomba

Tela + Feltro

Manta

Elastomérica

Figura 3.14 – Diagrama esquemático do sistema de bombeamento de ar.

Água proveniente do reservatório, mantida à temperatura ambiente, circula pelos

trocadores de calor. Como a capacidade térmica da água é bem maior do que a do ar,

eventuais mudanças bruscas de temperatura do ar ambiente devido à banda de controle não

afetam de maneira significativa a temperatura do reservatório de água. Desta forma, ao passar

pelo banco de trocadores, o ar cede ou recebe calor e tende a ficar à mesma temperatura da

água, ou seja, com uma variação de temperatura menor do que aquela devido à banda de

controle. Com a adição deste sistema, a banda de controle foi reduzida de ± 0,4°C para

valores dentro dos níveis de incerteza dos termopares (ou seja, da ordem de ± 0,2°C).

Após passar pelo banco de trocadores, o ar é encaminhado através do circuito de dutos

termicamente isolados para o ventilador radial onde, por meio de uma variação da tensão da

fonte de alimentação, é possível variar a vazão de ar que passa pelo túnel de vento. Depois de

passar pelo ventilador, o ar atravessa uma seção divergente cuja finalidade é orientar e

uniformizar o escoamento de ar na entrada da seção de testes. A faixa de operação da vazão

de ar fornecida pelo sistema de bombeamento é de 10 a 110 m

/h. Ao sair do bocal

divergente, o ar adentra a seção de testes.

seção de testes é composta por um compartimento para acomodar os trocadores de

calor e pelas tomadas de temperatura e de pressão. O compartimento foi construído em

poliuretano e montado de maneira a acomodar trocadores de calor de diferentes tamanhos. A

sua principal finalidade é isolar termicamente do ambiente externo o trocador a ser testado e

garantir que todo fluxo de ar fornecido pelo ventilador passe

pelo trocador de calor (ou seja,

impedindo vazamentos).

As tomadas de temperatura foram realizadas com termopares do tipo T, soldados com

estanho dentro de massas térmicas de cobre (Figura 3.15) que evitam a oscilação excessiva da

temperatura durante a medição. Foram colocados 3 pontos de medição a montante e 3 a

jusante do trocador a ser testado, conforme mostra a Figura 3.16.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 45

Para as medições de pressão, foram construídas duas tomadas, uma a montante e outra

a jusante. As tomadas de pressão foram realizadas com tubos de PVC de 10 mm de diâmetro,

com cinco furos de 1 mm de diâmetro, espaçados entre si de 50 mm entre si na direção

transversal ao escoamento (Figura 3.17). Os tubos de PVC são conectados aos terminais de

um transdutor de pressão diferencial (DRUCK LXP1010). A precisão do transdutor é de

±0,25 Pa (± 0,5% do fundo de escala), onde o fundo de escala do instrumento é de 49,5 Pa.

Massa térmica

de cobre

Estanho de junção

do termopar

Termopar

tipo T

10 mm

5 mm

Figura 3.15 – Corte lateral das tomadas de temperatura.

Tomadas de

Temperatura do Ar

Transdutor de

Pressão Diferencial

Tomadas de

Pressão

Saída do Ar

Entrada do Ar

Evaporador

Tomadas de

Temperatura

da Água

Saída de Água

Entrada de Água

75mm 75mm 75mm

Figura 3.16 – Vista superior em corte da seção de testes ilustrando as tomadas de temperatura e pressão.

46 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Direção do

escoamento de ar

1 mm

Corte de uma vista Lateral

Tubo de pvc Ø10 mm

Corte de uma vista Frontal

Parede do túnel de vento

Isolamento da seção de testes

50mm50mm

50mm

Figura 3.17 – Montagem das tomadas de pressão na seção de teste do túnel de vento.

O sistema de medição de vazão de ar é composto por uma placa de bocais, um

transdutor de pressão e por duas telas com feltro. Após atravessar a seção de testes, o ar

encontra uma tela perfurada (com furos de diâmetro igual a 3 mm) junto de um feltro cuja

finalidade é uniformizar a temperatura e a velocidade na entrada do sistema de medição de

vazão. Em seguida, o ar passa por uma placa de 5 bocais de alumínio (Helander Metal) com

diâmetros variando de 19,05 mm a 31,75 mm. A montante e a jusante dos bocais são

posicionadas tomadas de pressão semelhantes às da Figura 3.17. As tomadas de pressão são

então conectadas a um transdutor de pressão diferencial (DRUCK LXP1510), cuja precisão é

de ±5 Pa (± 0,5% do fundo de escala), onde o fundo de escala do instrumento é de 995 Pa.

Outro componente de fundamental importância para o circuito de ar é o

isolamento

térmico

. Este tem a função de isolar termicamente, do ambiente externo, o fluxo de ar entre os

pontos de medição de temperatura a montante e a jusante da seção de testes. Como um dos

parâmetros de interesse dos testes é a capacidade de transferência de calor inferida por um

balanço de energia no fluxo de ar, é de suma importância minimizar a perda de calor para o

meio externo e estimá-la de forma precisa esta perda. Com o intuito de se obter um

isolamento eficaz, as paredes do túnel de vento foram construídas com uma camada dupla de

chapas de aço galvanizado de 10 mm de espessura preenchida com lã de rocha (

k = 0,045

W/m.K), conforme mostra a Figura 3.18.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 47

Direção do

escoamento de ar

Corte de uma vista lateral do túnel de vento

Lã de rocha

Chapas de

aço Interna

Lã de rocha

Chapas de

aço Externa

Chapa de

União

= 100mm10 mm

Figura 3.18 – Isolamento térmico do túnel de vento

Para verificar se a espessura do isolamento térmico estipulada no projeto do túnel de

vento (

= 100 mm) era adequada, foi admitida a seguinte condição de operação crítica:

- Temperatura interna (

T ): 40°C

- Temperatura externa (

T ): 20°C

- Coeficiente de convecção interna (

h ): 15 W/m

- Coeficiente de convecção externa (

h ): 5 W/m

- Área da superfície de troca (admitida como a área superficial interna calculada com

base no perímetro na saída da seção de testes,

A): 2,1 m

A taxa de transferência de calor pelas paredes do túnel de vento devido ao isolamento

(

) pode ser estimada através da seguinte equação:

)(

oiw

TTUAQ −=

(3.35)

O coeficiente

U pode ser determinado fazendo uma análise de ordem de grandeza a

partir das condições descritas acima. Desta análise, pode-se verificar que a resistência térmica

dominante é devida ao preenchimento de lã de rocha (10 vezes maior que a convecção interna

e 50 vezes que a externa). Logo, é possível escrever a seguinte expressão,

48 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

hkh

≈

(3.36)

Os seguintes valores foram então obtidos das Eqs. (3.35) e (3.36), chegando em,

KmWU

/45,0≈

(3.37)

(3.38)

Como a capacidade de transferência de calor dos evaporadores se mantém, em média,

em torno de 120 W para os experimentos aqui apresentados, chega-se a uma perda percentual

de calor dada por,

%5,7

120

[%] ==

(3.39)

A princípio, admitiu-se este valor como apropriado para os requisitos de projeto, já

que esta perda de calor pode ser de certa maneira corrigida por meio do procedimento descrito

acima. No entanto, após a construção do túnel, percebeu-se a existência de uma perda de calor

maior do que aquela estimada pela análise da condução unidimensional pelo revestimento de

lã de rocha. Esta perda de calor podia ser verificada quando se comparava a transferência de

calor o obtida pelo lado da água e do ar.

Após uma análise mais detalhada, observou-se que a fuga de calor poderia ocorrer nas

emendas entre as chapas internas e externas, promovendo um ‘efeito aleta’. Assim, foi

necessária a adição de uma camada de isolamento de poliuretano (espessura de 10 mm) na

parte interna de todo o túnel, conforme mostra a Figura 3.19. Após a colocação da camada

extra de isolamento, alcançou-se uma redução de 50% da perda de calor, ou seja, a perda foi

reduzida para valores em torno de 4,5 W para condições de operação mais críticas.

Em face da reduzida altura da seção transversal da seção de testes (60 mm), não se

observou estratificação significativa de temperatura na direção vertical. Logo, as três tomadas

a montante e as três a jusante, posicionadas numa mesma altura no centro da secção

transversal, foram suficientes para se obter medidas representativas da temperatura do ar.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 49

Direção do

escoamento de ar

Corte de uma vista lateral do túnel de vento

Lã de rocha

Chapas de

aço Interna

Lã de rocha

Chapas de

aço Externa

Chapa de

União

Isolamento

Adicional

Figura 3.19 – Implementação do isolamento térmico adicional

Circuito de Água

O circuito de água é composto por 6 componentes: i) um banho termostático, ii) uma

bomba, iii) um evaporador, iv) um filtro, v) um medidor de fluxo de massa e vi) duas sondas

de medição de temperatura. Um

by-pass após a descarga da bomba permite realizar a

substituição ou a manutenção do evaporador sem a necessidade do desligamento do circuito

de água. A Figura 3.20 mostra a disposição dos componentes.

Fluxímetro

TipoCoriollis

Evaporador

Filtro

BanhoTermostático

Motor‐Bomba

By‐Pass

Sondas

Figura 3.20 – Diagrama do circuito de água.

50 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

O banho termostático (MICROQUÍMICA, modelo MQBTCA-100) controla a

temperatura da água, a qual é enviada ao evaporador por meio de uma bomba de rotação

variável (Procon, modelo 113E025F31BC100) acionada por um motor elétrico (WEG,

modelo IP 55 - Carcaça 63). O motor é controlado por um inversor de freqüência (WEG,

modelo CFW090003T3848PSZ) que permite variar a rotação da bomba entre 100 e 1200

RPM, fornecendo uma vazão de 0,01 ℓ/min a 5,00 ℓ/min. Em seguida, a água passa por um

filtro (Cuno, modelo 1BR) que evita a passagem de impurezas pelo medidor de fluxo de

massa (MicroMotion, modelo RFT9712). Este instrumento trabalha na faixa de 0 - 350 kg/h

(±0,72 kg/h) (a calibração e o cálculo da incerteza deste equipamento estão apresentados no

Apêndice III). A montante e a jusante do evaporador foram instalados dois termopares de

sonda do tipo T, com incerteza de medição de ±0,1°C (o valor de incerteza aqui apresentado é

fruto de análises de incertezas e calibrações previamente realizadas em outros experimentos

que utilizaram estes mesmos tipos de termopares e em condições semelhantes – Silva, 2008).

A montagem das sondas foi realizada como apresentado na Figura 3.21.

Figura 3.21 – Montagem das sondas de imersão (Gonçalves, 2004).

Sistemas de Aquisição e Controle

O sistema de aquisição é composto por uma unidade de aquisição (Agilent/HP, modelo

34980A) com uma placa multiplexadora de 40 canais. Esta unidade é conectada a um

microcomputador (Pentium 4, 3 GHz) via cabo USB. Na placa multiplexadora é realizada a

leitura dos sinais tensão de 27 termopares, 2 transdutores de pressão e do medidor de fluxo de

massa. Como estes dois últimos têm sinal de saída na forma de corrente, foram adicionados

resistores em série com o circuito de cada um destes equipamentos para que se pudesse

realizar a leitura do sinal de tensão.

Para realizar medições de temperatura com termopares, é necessário conhecer a

temperatura de uma junta de referência. Um bloco isotérmico (caixa metálica com um

Escoamento de

Água

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 51

isolamento interno e externo de 5 mm de espessura de poliuretano) foi construído contendo

todas as juntas dos termopares. Três termistores igualmente espaçados entre si foram também

inseridos dentro do bloco. Os termistores têm a função de obter a temperatura dentro do bloco

isotérmico, a qual é utilizada como referência nas medições de temperatura dos termopares.

Os procedimentos de calibração dos termopares estão descritos no relatório de calibração

EMBRACO (2002).

O controle de todo aparato experimental foi realizado por um painel de controle que

permite acesso a todos os comandos de acionamento e controle dos equipamentos elétricos do

túnel e do circuito de água. Um diagrama elétrico do painel de controle é apresentado na

Figura 3.22.

O acionamento de todos os equipamentos acontece de forma manual por meio de

chaves e contactoras. O sistema de proteção é igual para todos os componentes e baseia-se na

utilização de fusíveis e de uma chave de emergência localizada num ponto de fácil acesso no

painel de comando (Figura 3.23).

Procedimento de Testes

O procedimento experimental se inicia com a montagem e instrumentação do

evaporador na seção de testes (Figura 3.11). O aparato experimental é ligado e a temperatura

de entrada da água é ajustada no banho termostático. A vazão de ar é ajustada, bem como a

temperatura de entrada do ar, através do sistema de controle de temperatura ambiente. A

vazão de água é ajustada de modo que uma diferença de aproximadamente 4,0°C seja

estabelecida entre as temperaturas de entrada e saída do evaporador. Por volta de 50 a 80

minutos – dependendo dos valores de vazão de água e ar – são necessários para alcançar

regime permanente. O critério adotado para verificar se a condição de regime permanente foi

alcançada se baseia em um ajuste linear de todos os pontos de medição durante um intervalo

de 30 minutos (Figura 3.24), na forma,

btatf

⋅

)(

(3.40)

Caso o módulo da diferença entre o ponto inicial e cada ponto do intervalo seja menor

do que três desvios-padrão (Eq. (3.41)), o teste é considerado estável.

DPtftf

oend

⋅

−

3)()(

(3.41)

52 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Motor Bomba

DMMB

CMB

SEM

NACG

DMC

DMMB

NACMB

SMB

NACV

FFV

DMB

DMMB

NACB

NACR

PID

Legenda

R, S, e T - Barramento de

alimentação

NA - Contato normalmente aberto

das contactoras

CG - Contactora geral

CMB - Contactora do motor da

bomba

CB - Contactora do banho

termostático

CV - Contactora do ventilador

CR - Contactora da resistência

elétrica

DMC - Disjuntor Motor do comando

DMMB - Disjuntor Motor do motor

da bomba

DMB - Disjuntor Motor do banho

termostático

SEM - Chave de emergência

SMB - Chave do motor da bomba

SB - Chave do banho termostático

SG - Chave geral

SV - Chave do ventilador

ST - Chave da turbina

SR - Chave da resistência elétrica

FT - Fusível da turbina

FR - Fusível da resistência elétrica

T - Turbina

B - Banho termostático

R - Resistência elétrica

V - Ventilador

FV - Fonte do ventilador

FFV - Fusível da fonte do ventilador

PID - Controlador do PID

Figura 3.22 – Diagrama elétrico da instalação dos equipamentos do aparato experimental.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 53

Figura 3.23 – Painel de Controle.

0 400 800 1200 1600

31,6

31,7

31,8

31,9

32,0

32,1

Time [s]

Water Inlet Temperature [ºC]

f(t) = a.t + b

f(t

end

)

f(t

)

Tempo[s]

Temperaturadeentradadaágua[°C]

0 400 800 1200 1600

31,6

31,7

31,8

31,9

32,0

32,1

Time [s]

Water Inlet Temperature [ºC]

f(t) = a.t + b

f(t

end

)

f(t

)

Tempo[s]

Temperaturadeentradadaágua[°C]

Figura 3.24 – Ajuste linear para verificação do critério de regime permanente.

A transferência de calor no evaporador é calculada com base no balanço de energia

mostrado na Figura 3.25.

54 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Corte de uma vista lateral do túnel de vento

corra

Entrada da

seção de teste

Evaporador

Saída da seção

de teste

iwwp

Tcm

,),(

owwp

Tcm

,),(

iaap

Tcm

,),(

oaap

Tcm

,),(

evapaap

Tcm

,),(

Saída do

Evaporador

V.C.

evapa

Figura 3.25 – Balanço de energia no evaporador entre os lados da água e do ar e perfil de temperatura do lado do

ar ao atravessar a seção de testes.

Do balanço de energia da figura anterior, podemos escrever as seguintes expressões

para a troca de calor do lado da água e do ar,

)(

,, owiwpwww

TTcVQ

−=

(3.42)

corraiaoapaaa

QTTcVQ

,,,

)(

+−=

(3.43)

onde

corra

é obtida da Eq. (3.35), substituindo T

por T

a,o

A taxa de transferência de calor calculada com base nas correntes de ar e de água (Eqs.

(3.42) e (3.43)) são comparadas e um desvio relativo menor que ±5% entre os resultados

assegura a confiabilidade (por exemplo, ausência de vazamentos de ar e fuga de calor) das

medições da taxa de transferência de calor do lado do ar.

Depois de verificada a montagem e a medição adequada da transferência de calor do

lado do ar, o procedimento de obtenção das medições finais da taxa de transferência de calor e

queda de pressão é iniciado. Neste procedimento, a vazão de água pelos tubos é aumentada,

de modo que a diferença entre a temperatura da entrada e da saída da água seja de

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 55

aproximadamente 0,5°C. Com isso, é possível admitir que capacidade térmica do fluxo de

água seja infinitamente maior do que a da corrente de ar, o que aproxima a situação real do

caso especial em que não há distinção entre os arranjos em contra-corrente e em correntes

paralelas. Desta forma, as Eqs. (3.13) e (3.14), juntamente com o balanço de energia do lado

do ar, podem ser utilizadas para calcular a taxa de transferência de calor, Q

, e o coeficiente

de transferência de calor externo, h.

Após o aumento da vazão de água, o ensaio passa novamente pela verificação do

critério de estabilização mencionado anteriormente e as medidas referentes ao intervalo de 30

minutos são gravadas. Apenas os dados referentes ao ensaio com variação de 0,5°C entre as

temperaturas de entrada e saída da água são utilizados na análise de dados, já que os dados

referentes aos testes com a diferença de 4,0°C apenas fazem parte do procedimento

experimental para verificação da montagem e de uma medição adequada.

Análise de Dados

São três os parâmetros de interesse dos ensaios experimentais: a condutância térmica

do lado do ar, hA

, a taxa de transferência de calor, Q

, e a queda de pressão, todos em

função da vazão de ar.

Nos presentes experimentos, a taxa de transferência de calor foi obtida da Eq. (3.43).

Alguns autores (Karatas et al., 2000) e a própria norma ASHRAE 33 (2000) recomendam que

a taxa de transferência de calor seja avaliada a partir de uma média aritmética entre aquelas

calculadas por meio de balanços de energia nos lados do ar e da água. Porém, uma vez que

aqui a incerteza experimental associada à diferença de temperatura do lado da água é muito

alta (a diferença de temperatura imposta nos testes é apenas 5 vezes maior que a incerteza de

medição da sonda de temperatura), esta contribuiria significativamente para elevar as

incertezas de medição. Logo, optou-se por utilizar, no presente trabalho, somente o balanço de

energia do lado do ar, onde os valores de c

p,a

e ρ

são avaliados na temperatura média

aritmética entre a entrada e a saída do fluxo de ar.

A condutância térmica do lado do ar, hA

, é avaliada a partir da Eq. (3.13), na forma,

)(

)]/()ln[(

iaoa

oawiawa

TTTTQ

−

−−

(3.44)

56 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

onde T

é a média aritmética entre a temperatura da água na entrada e na saída do evaporador,

corrigida para incluir o pequeno efeito da resistência térmica combinada da condução pela

parede do tubo e da convecção (escoamento interno).

De acordo com a norma ASHRAE 51 (1999), a vazão de ar, em [m

/h], pode ser

calculada em função da diferença de pressão medida nos bocais (

, em [Pa]), fornecida

pela seguinte expressão,

)1(

3600

βρ

−

bda

YACV

(3.45)

onde

ib,

é a densidade do ar na entrada, em [kg/m

], e A

é soma das áreas de saída dos

bocais, em [m

]. β é a relação de contração do túnel em relação aos bocais, C

é o coeficiente

de descarga e Y é o coeficiente de expansão dos bocais, obtidos por,

(3.46)

6,134

006,7

9986,0 +−=

(3.47)

[]

)1)(71,0548,0(1

αβ

−+−=Y

(3.48)

onde

D é o diâmetro hidráulico do túnel e d

A ) é o diâmetro equivalente dos

bocais. α e Re

são calculados por,

batm

atm

Δ+

(3.49)

bibeqd

pYdC Δ=

1097

(3.50)

A queda de pressão do lado do ar através do evaporador,

evap

, é obtida diretamente a

partir da medição do transdutor de pressão do evaporador, em função da vazão de ar.

As incertezas médias experimentais para a condutância térmica global do lado do ar,

transferência de calor pelo lado do ar, pelo lado da água e para a queda de pressão são

apresentadas na Tabela 3.3.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 57

Tabela 3.3 – Estimativa das incertezas médias para os principais resultados experimentais.

Variável

)5,0( CQ

)0,4( CQ

PΔ

7 5 30 9 20

A metodologia aplicada na estimativa das incertezas está apresentada no Apêndice IV.

Limites Operacionais da Bancada

Os limites de operação do aparato experimental são os seguintes:

•

Transferência de calor: 50 – 300 W

•

Faixa de vazão de ar: 17 – 112 m

•

Faixa de vazão mássica de água: 0 – 350 kg/h

•

Temperatura máxima de trabalho do lado água: 60°C;

•

Temperatura mínima de trabalho do lado da água: 5°C acima da ambiente;

•

Temperatura de trabalho do lado do ar: de 20°C a 25°C.

Os limites dimensionais para da seção de teste para teste de trocadores de calor são

ilustrados na Figura 3.26.

Parâmetro Valor Máximo

(mm)

Altura 60

Comprimento 450

Largura 500

Figura 3.26 – Descrição das dimensões dos limites dimensionais da seção de teste.

3.2.3. Resultados experimentais

Os 15 protótipos descritos no item 3.2.1 foram testados para uma faixa de vazão de ar

entre 34 a 102 m

/h. Foram realizados cinco ensaios por evaporador, para valores de vazão

58 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

igualmente distribuídos dentro da faixa citada, com a temperatura do ar na entrada variando

entre 20,5 e 28,1 °C e a temperatura média da água aproximadamente igual a 36 °C. Ao todo,

foram obtidos 73 pontos experimentais.

Na Figura 3.27 são apresentados os resultados para a condutância térmica do lado do

ar. Percebe-se que, em geral, os trocadores com maiores áreas de troca exibem os maiores

valores deste parâmetro. O maior valor de

hA foi alcançado pelo evaporador Original 52

aletas, embora este não apresente a maior área de troca. Este resultado se deve provavelmente

à presença das resistências de degelo (que só existem no evaporador Original 52 aletas), as

quais restringem a passagem do escoamento pelas folgas e induzem um maior fluxo de ar pelo

feixe central de tubos (Figura 3.28), aumentando sensivelmente a troca de calor. A ausência

destas resistências nos EFA deixa dois canais laterais (ou de by-pass), de pequena impedância

ao escoamento de ar, o que faz reduzir a vazão de ar pelo feixe e, conseqüentemente, a troca

de calor. Outro fator que contribui para a intensificação da transferência de calor no trocador

Original é a presença de aletas descontínuas (ver Figura 3.9) que, por forçarem

periodicamente o desenvolvimento das camadas-limite, aumentam a troca de calor.

20 40 60 80 100 12

Vazão

[

]

hA [W/K]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #3 - Reto 2Evap. #3 - Reto 2

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #6 - 1/2 2Evap. #6 - 1/2 2

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

Evap. #10 - Mini 60Evap. #10 - Mini 60

Evap. #11 - Mini 46Evap. #11 - Mini 46

Evap. #12 - Original 52Evap. #12 - Original 52

Figura 3.27 – Resultados experimentais para a condutância térmica global do lado do ar.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 59

(a) (b)

Figura 3.28 – Perfis de velocidade (magnitude do vetor) para os evaporadores (a) Original e (b) EFA Reto,

obtidos a partir de simulações em CFD

Na Figura 3.29 são exibidos os resultados do coeficiente de transferência de calor do

lado do ar, calculados a partir da divisão dos resultados experimentais de

hA pela área

superficial de cada um dos evaporadores testados. Nestes resultados, admite-se que a

eficiência da superfície é igual à unidade para todos os trocadores. O coeficiente de

transferência de calor se mostrou maior para os evaporadores sem aletas e diminui com o

acréscimo da área de troca. Isto acontece provavelmente porque as aletas, de certa forma,

uniformizam o escoamento do ar e quebram as grandes estruturas tridimensionais do

escoamento, as quais promovem uma maior transferência de quantidade de movimento e de

calor. Para um mesmo valor de espaçamento entre aletas, os trocadores com maior nível de

aceleração (EFA 1/5 e 1/2) exibiram maiores valores para o coeficiente de transferência de

calor, o que demonstra uma influência da aceleração dos EFA sobre a troca térmica.

Entretanto, para as amostras com maiores número de aletas, esse efeito não se mostrou tão

evidente. Acredita-se que este efeito se deva à influência da vazão de ar pelos canais de by-

pass nos EFA, efeito este que será explorado com maiores detalhes na Seção 6.1.2.

Na Figura 3.30 são apresentadas ainda comparações entre os protótipos de mesma

configuração, com o objetivo de avaliar potenciais discrepâncias decorrentes de variações na

fabricação ou na montagem dos trocadores na seção de teste (repetibilidade). Como pode ser

visto na figura, não foi obtida nenhuma variação significativa, já que os resultados foram

reproduzidos dentro da faixa de incerteza de medição experimental.

CFD vem da sigla em inglês Computational Fluid Dynamics

Resistência de degelo

Direção do

escoamento

60 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

20 40 60 80 100 12

100

Vazão

[

]

h [W/m

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #3 - Reto 2Evap. #3 - Reto 2

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #6 - 1/2 2Evap. #6 - 1/2 2

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

Evap. #10 - Mini 60Evap. #10 - Mini 60

Evap. #11 - Mini 46Evap. #11 - Mini 46

Evap. #12 - Original 52Evap. #12 - Original 52

Figura 3.29 – Coeficiente de transferência de calor experimental.

20 40 60 80 100 12

Vazão

[

]

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #2 - Reto 30 - RepetibilidadeEvap. #2 - Reto 30 - Repetibilidade

Evap. #4 - 1/2 60 - RepetibilidadeEvap. #4 - 1/2 60 - Repetibilidade

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #8 - 1/5 30 - RepetibilidadeEvap. #8 - 1/5 30 - Repetibilidade

Figura 3.30 – Verificação da repetibilidade do UA entre alguns dos protótipos testados.

A Figura 3.31 mostra uma comparação da queda de pressão em todos os evaporadores

testados. Como era de se esperar, os EFA com maior nível de aceleração (1/5 e 1/2) foram os

que apresentaram os maiores valores deste parâmetro. Nestes resultados, destaca-se o fato de

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 61

o EFA 1/5 2 (sem aletas) apresentar uma queda de pressão maior do que aquela do EFA 1/5

30. Como o EFA 1/5 30 possui maior número de aletas (ou seja, maior área de contato com o

ar do que o EFA 1/5 2), esperar-se-ia que a sua queda de pressão fosse maior. Uma possível

explicação para este inesperado resultado pode ser atribuído ao fato que a maior queda de

pressão no EFA 1/5 2 seja devida à existência de um escoamento secundário (devido à grande

redução da seção transversal) (Schlichting, 1968), o qual contribui para um aumento das

perdas por atrito. Com o aumento gradativo do número de aletas, o escoamento se torna mais

organizado (já que o escomento secundário é suprimido) e as perdas são reduzidas (como no

caso do EFA 1/5 30). Este comportamento é, entretanto, limitado pelo número de aletas que,

ao aumentarem além de um determinado limite (neste caso, entre 30 e 60), provocam um

aumento mais acentuado da queda de pressão.

Embora a redução da seção transversal também ocorra no EFA 1/2 2, esta é menor em

intensidade, de forma que a influência do número de aletas na redução da queda de pressão

não é observada nos dados experimentais. Embora se tenha especulado algumas explicações

acerca dos resultados citados acima, um estudo mais detalhado deve ser realizado para

confirmar ou buscar maiores detalhes a respeito dos resultados obtidos.

20 40 60 80 100 12

Vazão

[

]

Queda de Pressão [Pa]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #3 - Reto 2Evap. #3 - Reto 2

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #6 - 1/2 2Evap. #6 - 1/2 2

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

Evap. #10 - Mini 60Evap. #10 - Mini 60

Evap. #11 - Mini 46Evap. #11 - Mini 46

Evap. #12 - Original 52Evap. #12 - Original 52

Figura 3.31 – Queda de pressão experimental dos evaporadores testados.

Na Figura 3.32 são apresentados os resultados de repetibilidade para a queda de

pressão do lado do ar. Os resultados mostram uma pequena divergência entre os valores

obtidos para o EFA 1/5 30 aletas. Este desvio pode ser atribuído a variações na montagem da

62 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

seção de testes, já que para as velocidades mais altas encontradas nos EFA 1/5, qualquer

variação geométrica na seção de teste pode resultar em algumas unidades de variação de

pressão. Outras operações de montagens e desmontagem foram realizadas e verificou-se que

os testes se apresentaram sempre entre os dois resultados mostrados na Figura 3.32. O valor

final para a queda de pressão foi assumida como sendo uma média entre estes dois resultados,

tendo sido ensaiadas mais de uma vez todas as amostras do EFA 1/5.

20 40 60 80 100 12

Vazão

[

]

Queda de Pressão [Pa]

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

Evap. #2 - Reto 30 - RepetibilidadeEvap. #2 - Reto 30 - Repetibilidade

Evap. #4 - 1/2 60 - RepetibilidadeEvap. #4 - 1/2 60 - Repetibilidade

Evap. #8 - 1/5 57 - RepetibilidadeEvap. #8 - 1/5 57 - Repetibilidade

Evap. #8 - 1/5 30 - RepetibilidadeEvap. #8 - 1/5 30 - Repetibilidade

Evap. #9 - 1/5 1 - RepetibilidadeEvap. #9 - 1/5 1 - Repetibilidade

Figura 3.32 – Verificação da repetibilidade da queda de pressão.

Como nos EFA existe uma aceleração significativa do escoamento, uma parcela da

variação de pressão mostrada nas figuras acima pode ser recuperada, já que uma parte da

queda de pressão é devida a perdas irreversíveis (atrito) e outra a perdas reversíveis

(aceleração).

A parcela devida somente a fricção pode ser obtida (depois de já descontadas as

perdas localizadas de entrada e saída) pela combinação das equações da conservação da massa

e quantidade de movimento do escoamento atravessando um incremento de volume de

comprimento dz (Figura 3.33), como segue,

{

321

aceleração

fricção

total

VdVdpdp

−

=−

(3.51)

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 63

H -dH

Figura 3.33 – Ângulo θ em um incremento de comprimento dz no EFA.

Como,

(3.52)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+=−

dpdp

(3.53)

Assumindo que ρ ≈ ρ

= constante, tem-se que,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+=−

ccm

dpdp

(3.54)

Como,

)1(

−=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(3.55)

dpdp

−=−

(3.56)

Sabendo que dA

é conhecida a priori para o EFA,

⇒⋅

(3.57)

Como A

= WH, da Figura 3.33 temos que dH/dz = -W tanθ,

64 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

tanW

−==

(3.58)

Assim,

dzW

dpdp

tan

+=−

(3.59)

Integrando a equação anterior de 0 a L,

∫∫

+Δ=−

dzW

pdp

tan

(3.60)

Como A

= WH e θ é constante, tem-se,

∫

+Δ=−−

fes

ppp

)(

tan

)(

(3.61)

Como H(z) = H

– (H

– H

)z/L = H

– z tanθ, pode-se avaliar a integral da Eq. (3.61)

por,

)tan(2

)tan2(

)tan(tan2

)tan(

)(

LHH

LHL

zHzH

θθθ

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

∫∫

(3.62)

Substituindo o resultado da Eq. (3.62) na (3.61), tem-se que,

)tan(2

)tan2(

tan

)(

LHH

LHL

ppp

fes

−

+Δ=−−

(3.63)

Assim, a queda de pressão devida somente ao atrito pode ser dada por,

{

4444434444421

43421

Aceleração

Total

Atrito

LHH

LHL

ppp

)tan(2

)tan2(

tan

)(

−

−−=Δ

(3.64)

A Figura 3.34 mostra os resultados utilizando a Eq. (3.64). Observa-se que o efeito da

aceleração sobre a queda de pressão foi significativo apenas para os EFA 1/5, onde uma

redução em torno de 37% da variação de pressão é atingida depois de descontado o efeito da

aceleração. Vale a pena ressaltar que, na prática, uma parcela do termo de aceleração pode ser

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 65

recuperada com a expansão na saída do evaporador. Entretanto, nos experimentos, a seção de

testes foi concebida de forma que a dimensão H

fosse mantida por uma distância de 0,2 m a

partir da seção de saída do trocador.

20 40 60 80 100 12

Vazão

[

]

Queda de Pressão [Pa]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #3 - Reto 2Evap. #3 - Reto 2

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #6 - 1/2 2Evap. #6 - 1/2 2

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

Evap. #10 - Mini 60Evap. #10 - Mini 60

Evap. #11 - Mini 46Evap. #11 - Mini 46

Evap. #12 - Original 52Evap. #12 - Original 52

Figura 3.34 – Queda de pressão sem o efeito da aceleração do escoamento.

3.2.4. Conclusões Parciais

Nesta seção foram apresentados os resultados experimentais para a queda de pressão e

para a transferência de calor para várias configurações dos EFA. Pôde ser verificado que o

efeito de aceleração é significativo no coeficiente de transferência de calor, porém, a área de

troca se mostrou o fator predominante para a determinação da condutância térmica do lado do

ar. Comprovou-se também o efeito positivo sobre a transferência de calor da presença das

resistências de degelo no evaporador Original.

A queda de pressão se mostrou sensivelmente mais elevada nos EFA 1/2 e 1/5. O

efeito de variação de pressão decorrente da aceleração se mostrou significativo somente nos

EFA 1/5.

Da necessidade de se realizar uma otimização da configuração de EFA mais adequada

para operação em um refrigerador doméstico, surgiu a motivação para o desenvolvimento de

um modelo matemático para predizer o comportamento da transferência de calor e da queda

66 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

de pressão do lado do ar. Como será mostrado a seguir, o modelo teórico do evaporador foi

desenvolvido para ser incorporado ao código de simulação do sistema de refrigeração. Por

este motivo, ele precisa ser de fácil implementação e, naturalmente, apresentar boa

concordância com os dados experimentais.

3.3. Modelo Matemático do EFA

Uma metodologia de cálculo foi desenvolvida com o intuito de se obter a queda de

pressão e a transferência de calor em função da geometria e das condições de operação do

trocador de calor. Nos estágios iniciais do desenvolvimento do modelo, buscou-se a

elaboração de correlações semi-empíricas para os fatores j e f médios que fossem simples e

pudessem ser escritas em função de parâmetros adimensionais como o número de Reynolds e

parâmetros geométricos como o espaçamento entre aletas e a razão entre as alturas das seções

de entrada e de saída do escoamento do ar. Entretanto, tal abordagem não foi bem sucedida,

principalmente, pela dificuldade em estabelecer uma escala de comprimento característica em

um escoamento de seção transversal variável. Desse modo, foi impossível construir

correlações simples de perda de carga e transferência de calor que reproduzissem os dados

experimentais das três configurações de EFA (e que fossem válidas para configurações

intermediárias a serem avaliadas durante o exercício de otimização).

Baseada no trabalho de Yang et al. (2006), a abordagem bem-sucedida na avaliação

dos EFA do presente trabalho consiste em dividir o evaporador em volumes de controle (VC)

na direção do escoamento (Figura 3.35), e calcular a transferência de calor e a queda de

pressão em cada VC como se este fosse um trocador de calor independente. Como nos EFA a

velocidade e o número de Reynolds locais mudam ao longo do escoamento do ar, tal

abordagem tem mais flexibilidade do que as correlações médias (ou seja, um único VC), já

que também possibilita a avaliação da variação da densidade de aletas na direção do

escoamento (arranjo normalmente encontrado em evaporadores no-frost devido à maior

propensão à formação de geada na entrada do evaporador). Assim, de modo a calcular a

transferência de calor e a queda de pressão totais, as equações de conservação da massa,

quantidade de movimento e energia devem ser integradas ao longo de cada VC e a

transferência de calor e a queda de pressão somadas desde a seção de entrada até a de saída.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 67

ireção do escoamento

Entrada do Evaporador

ar, entrada

ar, saída

V. C . 1

V. C . 2

V. C . n

...

Figura 3.35 – Divisão do evaporador em volumes de controle.

Uma particularidade dos evaporadores ‘no-frost’, também presente nos protótipos

avaliados neste trabalho, é a existência de uma elevada fração de by-pass. Tal parâmetro é

definido como a razão entre a vazão de ar pelos canais laterais e a vazão de ar total (feixe

tubular mais canais laterais). A necessidade de espaço físico para acomodação das resistências

de degelo faz com que os canais laterais sejam mais largos, oferecendo pouca resistência ao

escoamento do ar.

Simulações numéricas do escoamento no EFA utilizando programas comerciais de

CFD (Barbosa et al., 2008) (Figura 3.36) , mostraram que grande parte da vazão de ar (em

torno de 60%) passa pelos canais de by-pass, evitando o contato direto com os tubos..

Conseqüentemente, a transferência de calor é consideravelmente prejudicada, já que os tubos

promovem uma maior mistura, aumentando a troca térmica. Além disso, a diferença de

temperatura entre as superfícies sólidas (aletas) e o escoamento no by-pass é menor do que no

feixe de tubos. Tendo em vista a presença do by-pass, o modelo do evaporador foi divido em

4 regiões: i) entrada, ii) feixe de tubos-aletado, iii) by-pass e iv) saída, como ilustra a Figura

3.36.

68 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Região do

‘By-pass’

Região de

Saída

Região de

Entrada

Região do feixe de tubos

aletado

Figura 3.36 – Distribuição de velocidades (magnitude do vetor – m/s) do escoamento.

Após o evaporador ter sido dividido em volumes de controle e regiões, algumas

hipóteses simplificativas foram assumidas para se escrever as equações de conservação em

cada volume de controle:

Escoamento em regime permanente;

ii.

Forças de corpo desprezíveis;

iii.

A temperatura da superfície dos tubos foi considerada constante e igual em

todos os volumes de controle;

iv.

Tanto os coeficientes de transferência de calor quanto os fatores de atrito são

considerados constantes dentro do volume de controle;

Não existe fluxo de massa atravessando as fronteiras entre as regiões do by-

pass e do feixe de tubos em um mesmo volume de controle;

vi.

As propriedades físicas são consideradas uniformes em cada volume de

controle.

A partir das hipóteses citadas, a seguir, são formuladas as metodologias de cálculo da

queda de pressão e da transferência de calor nos EFA.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 69

3.3.1. Queda de pressão

Para a avaliação da queda de pressão e da vazão em massa que atravessa cada região

do evaporador, foi desenvolvido um modelo baseado na analogia com circuitos elétricos

proposta por Tinker (Tinker, 1951; Hewitt et al., 1994), como apresenta a Figura 3.37. Como

citado anteriormente, a divisão em regiões exige que o modelo avalie o escoamento nos canais

de by-pass e no feixe tubular de forma separada.

A analogia entre o escoamento no trocador de calor e circuitos elétricos permite a

seguinte associação entre os parâmetros de cada circuito:

A vazão em massa (

) representa a corrente elétrica (i);

ii.

A diferença de pressão (Δp) representa a diferença de potencial elétrico, isto é, a

força motriz do fluxo de ar;

iii.

A resistência elétrica pode ser interpretada como todos os termos que aparecem

multiplicando a vazão em massa, como mostra a Eq. (3.65). Como a queda de

pressão depende do fluxo de massa (ou da velocidade, já que

= ρVA), é

sempre possível escrever a variação de pressão na seguinte forma,

aPelétrica

mRpiRV

⇒=Δ

(3.65)

eaeapa

Tcm

,)(

',',

,)(

eaeapa

Tcm

s' s

',',

,)(

sasapa

Tcm

sasapa

Tcm

,)(

bpP

',,

,)(

eatapa

Tcm

',,

,)(

eabpapa

Tcm

',,

,)(

eabpapa

Tcm

Figura 3.37 – Representação esquemática do modelo do escoamento no evaporador por analogia com circuitos

elétricos.

Nas regiões de entrada e saída, a vazão em massa é a vazão total de ar (

). Baseado

na Eq. (3.65), as variações de pressão nestas regiões são dadas pelas seguintes expressões,

aePee

mRp

,' Δ−

(3.66)

70 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

asPss

mRp

,' Δ−

(3.67)

onde

,Δ

são, respectivamente, as resistências ao escoamento na entrada e na saída.

Entre os pontos e’ e s’, o fluxo de massa total se divide em três parcelas: i) duas

regiões de by-pass e ii) uma região de feixe de tubos aletados. A quantidade de massa que

atravessa cada uma dessas regiões depende da restrição ao escoamento em cada uma delas.

Assim, pela equação da conservação da massa, tem-se a seguinte expressão,

bpataa

mmm

&&&

⋅

(3.68)

onde

bpa

são, respectivamente, as vazões em massa que atravessam o feixe de tubos e

os canais de by-pass.

Como pode ser observado na Figura 3.37, tanto o feixe de tubos quanto o by-pass

estão submetidos à mesma diferença de pressão. Logo, com base na Eq. (3.65), pode-se

escrever as seguintes equações,

tatPse

mRp

,,''

Δ−

(3.69)

bpabpPse

mRp

,,''

Δ−

(3.70)

onde

,Δ

bpP

,Δ

são, respectivamente, as resistências ao escoamento do feixe de tubos e do

by-pass.

É fácil verificar que as Eqs. (3.66)-(3.70) formam um sistema não-linear de 5 equações

e 5 incógnitas (

'ee

−

Δ ,

−

'' se

−

Δ ,

bpa

). Após a solução deste sistema, é possível

combinar as Eqs. (3.66), (3.67), (3.69) e (3.70), para obter a queda de pressão total do

evaporador através da seguinte expressão,

ssseeeseEFA

ppppp

−−−−

=Δ=Δ

''''

(3.71)

As resistências ao escoamento nas regiões em questão não são consideradas incógnitas

no sistema de equações, apesar de dependerem das propriedades termofísicas, da geometria e

da velocidade do ar, a qual não é conhecida em todos os pontos a priori. Para obter a solução

do modelo aqui proposto, as condições na entrada de fluxo de massa, temperatura, pressão de

ar e temperatura na superfície dos tubos devem ser conhecidas, já que o modelo calcula as

variáveis de cada volume de controle baseado no ponto anterior.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 71

Resistência ao escoamento nas regiões de entrada e saída

Os comprimentos das regiões de entrada e saída são definidos a partir da mínima

distância entre o tubo mais próximo e o início (entrada) ou fim (saída) da aleta. A Figura 3.38

mostra uma representação esquemática das divisões supracitadas. Nas regiões de entrada e

saída, o escoamento é submetido a uma contração repentina e a uma expansão repentina,

respectivamente. Em ambas as regiões, existem dois efeitos para a variação de pressão: perda

de carga localizada e atrito sobre as aletas. No primeiro, a variação de pressão se dá devido a

uma mudança repentina de área gerando uma aceleração ou uma desaceleração. No segundo,

a perda é devida à camada-limite sobre a aleta plana.

Vista Lateral do Evaporador

Vista Superior

Aletas

Entrada Saída

Tubos

Comprimento da

região de entrada

Repentina

contração

Repentina

expansão

Comprimento da

região de saída

Figura 3.38 – Regiões de entrada e saída do modelo do evaporador em uma vista lateral e superior e os tipos de

escoamentos.

A variação de pressão devida à perda localizada pode ser obtida pela equação da

conservação da energia (Fox e McDonald, 1995), através das seguintes expressões,

72 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

(3.72)

exp

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

(3.73)

onde K

e K

exp

são, respectivamente, os coeficientes de perda de carga localizada para

contração e expansão repentinas. Estes coeficientes são funções da razão de áreas, como

mostra a Figura 3.39. A velocidade utilizada no cálculo dos coeficientes é sempre a de maior

módulo, ou seja, na contração utiliza-se V

e’

e, na expansão, V

s’

. As equações referentes às

áreas A

, A

e’

, A

e A

s’

são apresentadas no Apêndice II.

Figura 3.39 – Variação dos coeficientes de perda de carga localizada para uma contração e expansão repentina,

em função da razão de áreas (Fox e McDonald, 1995).

As variações de pressão devidas ao atrito com as paredes das aletas na entrada e na

saída foram desprezadas. Isto se deve ao pequeno comprimento das aletas, em ambas as

regiões, que torna insignificante esta parcela (~ 0,01 Pa) frente às de contração ou expansão

(~ 2 Pa).

Como citado anteriormente, as equações referentes à variação de pressão em cada

região pode ser escrita na forma da Eq. (3.65). Dessa forma, as Eqs. (3.72) e (3.73) podem ser

escritas na forma,

()

eea

43421

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

==Δ

−

(3.74)

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 73

()

ssa

43421

exp

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

==Δ

−

(3.75)

Resistência ao escoamento na região de feixe de tubos aletados

Esta região é compreendida pelas linhas tangentes aos tubos mais externos do feixe,

como mostra a Figura 3.40. Nesta região, o escoamento em cada volume de controle pode ser

modelado a partir de correlações disponíveis na literatura para a perda de carga e a

transferência de calor em feixes de tubos aletados. Das referências consultadas na revisão

bibliográfica, a correlação que melhor se adequou à geometria dos evaporadores aqui

estudados foi a correlação de fator de atrito f de Wang et al. (1996). Esta correlação avalia o

fator de atrito para um feixe de tubos circulares aletados, com aletas planas e contínuas em

condições secas, para as seguintes características:

•

Diâmetro externo, d

: 10,5 mm;

•

Espaçamento entre as aletas, F

: 1,77 a 3,21 mm;

•

Número de tubos na direção do escoamento (arranjo de tubos desencontrados),

N: 2 a 6;

•

Espaçamento transversal entre os tubos, P

: 25,4 mm;

•

Espaçamento longitudinal entre os tubos, P

: 22,0 mm;

•

Faixa do número de Reynolds baseado no diâmetro externo e na velocidade

máxima (ou seja, na mínima área de seção transversal –

Re = G

max

/μ

800 a 7500.

A correlação de Wang

et al. (1996) é dada pela seguinte expressão,

197,0

0935,0

104,0

418,0

Re039,1

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(3.76)

onde

é a espessura da aleta.

74 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Vista Lateral do Evaporador

Vista Superior

Aletas

Feixe de tubos aletados

Tubo

tubos

Figura 3.40 – Regiões do feixe de tubos aletados do evaporador em vistas lateral e superior.

A rigor, devido à variação da seção transversal ao longo do escoamento, a correlação

não pode ser aplicada diretamente no EFA, já que a velocidade do ar aumenta

significativamente ao atravessar o feixe de tubos. Isto impossibilitaria o cálculo de um

número de Reynolds representativo para todo o evaporador. Outro empecilho seria a

existência de aletas descontínuas e com densidade variável (aletas/m) ao longo do trocador.

Entretanto, a aplicação da divisão em volumes de controle e a integração das equações de

conservação em cada volume contornam ambos os problemas, sendo possível então a

utilização da correlação após a execução destes procedimentos.

Na utilização da estratégia de modelagem citada, tanto a pressão quanto a temperatura

são consideradas homogêneas e uniformes na entrada de cada volume de controle. A divisão

da vazão em massa total apresentada pelo sistema de equações (3.66)-(3.70) é realizada (e

atualizada) em cada volume de controle, sendo possível haver um aumento ou redução do

fluxo que atravessa o feixe de tubos ou o

by-pass ao longo do evaporador. Porém, o transporte

de massa entre regiões não ocorre no interior de um volume de controle (Figura 3.41). Os

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 75

trocadores do presente estudo foram divididos de maneira que os volumes de controle

apresentassem um comprimento de aproximadamente 40 mm (o que, para os EFA, fornece 5

volumes de controle, e, para o EFA Mini, apenas um volume de controle).

V.C. 1

V.C. 2

...

V.C. n

bpT

',,

,)(

iaTAapa

Tcm

',,

,)(

iapassbyapa

Tcm

−

',,

,)(

iapassbyapa

Tcm

−

aletadotuboP

−Δ

passbyP

−Δ

passbyP

−Δ

eaeapa

Tcm

,)(

',',

,)(

eaeapa

Tcm

s' s

',',

,)(

sasapa

Tcm

sasapa

Tcm

,)(

1 2 s'

teaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

teaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

teaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

Figura 3.41 – Analogia com circuito elétrico aplicada a cada volume de controle dentro da região do feixe de

tubos aletados.

Da Eq. (3.68) e da Figura 3.41 pode-se escrever que,

bpVCtVCa

mmm

&&&

⋅

(3.77)

Conforme ilustra a Figura 3.42, a aplicação da Segunda Lei de Newton ao escoamento

na região do feixe de tubos de um volume de controle fornece (Fox e McDonald, 1995; Shah

e Sekulic, 2003),

76 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Fluido (Ar)

Volume de Controle

Feixe de Tubos

tubosVC

)(

etVCtVC

),(

stVCtVC

),(

),,(

eaata

Tpm

),,(

saata

Tpm

tVC

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

tVCcctVC

VAAp

Δ+

tVCtVCctVCtVC

VVApp

,,,,

Δ+Δ+

Figura 3.42 – Volume de controle da região de feixe de tubos aletados utilizado no modelo do EFA.

()

=Δ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−Δ+−Δ++Δ−

tVC

tVCctVCtVCcctVCtVC

pAppAApF

,,,,,

tVCtVCtVCtVCtVC

VmVVm

,,,,,

)(

−

(3.78)

Rearranjando e simplificando a equação anterior, obtém-se,

tVC

Δ+Δ=Δ−

(3.79)

onde

é área mínima de passagem do ar através do feixe de tubos no volume de controle,

definida no Apêndice II.

tVC

é a força devida ao atrito no volume de controle. Este termo

pode ser escrito pela seguinte expressão,

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 77

tttVC

(3.80)

onde

AΔ é a área de contato entre o feixe de tubos aletados e o escoamento de ar no volume

de controle.

se refere à tensão de cisalhamento média atuando na área de contato entre o

feixe de tubos e o ar, sendo obtida por (Shah e Sekulic, 2003),

(3.81)

onde

é o fator de atrito de Fanning, calculado aqui a partir da correlação de Wang et al.

(1996) para um feixe de tubos com aletas planas.

é a velocidade mássica definida por,

tVC

(3.82)

Substituindo a Eq. (3.80) na (3.79), tem-se,

tVC

Δ+

=Δ−

(3.83)

Os dois termos do lado direito da equação acima são contribuições para a queda de

pressão devidos a dois efeitos: atrito e aceleração do escoamento. Avaliando o termo de

aceleração através da equação da continuidade, tem-se que,

0)(

,,,,

=Δ

ctVCctVCtVCctVCc

AVAVVAVA

(3.84)

tVCtVC

tVC

V Δ−Δ−=Δ

(3.85)

Da equação de estado tem-se a seguinte relação,

(3.86)

Logo,

tVCtVC

Δ−Δ=Δ

(3.87)

Substituindo a Eq. (3.87) na (3.85) vem que,

78 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

tVC

tVCtVC

tVC

V Δ−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ−Δ−=Δ

(3.88)

Substituindo a equação anterior na Eq. (3.83),

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

Δ−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ−Δ−+

=Δ−

tVC

tVCtVC

tVC

(3.89)

A variação de temperatura

tVC

Δ pode ser obtida através do balanço de energia do

escoamento do ar no volume de controle, dada por,

tVCtVCtVC

imQ

,,,

Δ=Δ

(3.90)

onde

tVC

é a transferência de calor e

tVC

é a variação de entalpia.

tVC

é fornecida pela

seguinte relação,

tttVC

AqQ Δ

′′

=Δ

(3.91)

tVC

Δ , no caso do ar, pode ser calculada por,

tVC

ptVC

Tci

=Δ

(3.92)

onde

tVC

é o calor específico do ar avaliado na temperatura média do volume de controle

(

= (T

VC,t,e

+ T

VC,t,s

)/2).

Logo, fazendo um balanço de energia no volume de controle da Figura 3.42, tem-se

que,

tttVC

tVC

ptVC

AqTcm

′

(3.93)

onde, pela lei de resfriamento, é possível escrever,

)(

wtot

TThq

−

′′

(3.94)

Assim,

[]

twto

tVC

ATTh

T Δ−=Δ )(

(3.95)

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 79

onde

h é o coeficiente de transferência de calor entre o ar e o feixe de tubos aletados, T

é a

temperatura da superfície externa do tubo e

T é a temperatura local do ar no volume de

controle, a qual é função da posição

Substituindo a Eq. (3.95) na (3.89), onde

p = ρRT, chega-se à seguinte forma,

tVCtVC

tVC

tVCto

tVC

tVCtVC

Δ−Δ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+=Δ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

(3.96)

Para realizar uma integração da equação acima no volume de controle, é necessário

fazer algumas hipóteses simplificativas adicionais, como segue:

As áreas de tubos e aletas são uniformemente distribuídas ao longo do volume

de controle, fornecendo,

=Δ

(3.97)

onde

A é a área de contato entre o feixe de tubos aletados e o escoamento de

ar (definida no Apêndice II),

z é a distância ao longo do trocador e L

é o

comprimento do volume de controle;

ii.

AΔ é conhecida a priori,

Δ≈

⋅Δ

(3.98)

e pode ser calculada através da seguinte aproximação para a área da seção

transversal,

θθ

tantan W

−=∴−=⇒=

(3.99)

zWA

−

tan

(3.100)

iii.

Os termos

tVCtVC

tVC

tVCto

são constantes e avaliados através de

seus valores médios no volume de controle.

Dessa forma, a integração da Eq. (3.96) é dada por,

80 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

∫∫∫

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

VCVCstVC

etVC

tVC

ttVCto

VCc

tVCtVC

LcA

AVh

∫

tVCtVC

WVm

tan

(3.101)

Para obter a solução da equação anterior, é necessário conhecer o perfil de temperatura

T e o coeficiente de transferência de calor

h , que serão apresentados na Seção 3.3.2. Como

será mostrado, o perfil de temperaturas no volume de controle pode ser escrito na forma,

22,,

)1()( KTKTzT

wetVC

−

(3.102)

onde

= 1 - exp(-K

z/L

) e onde K

é dado pela relação,

tVC

ptVC

tto

(3.103)

Avaliando então a integral

∫

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

da Eq. (3.101) tem-se,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

∫

)exp(1ln1

,,,,1

etVC

wVC

(3.104)

Retornando à Eq. (3.102), é fácil verificar que o argumento do logaritmo natural da

equação anterior é igual a

T(L

)/T

VC,t,e

= T

VC,t,s

VC,t,e

, logo,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

∫

etVC

stVC

ln1

(3.105)

Substituindo a equação anterior e integrando os outros temos do lado direito na Eq.

(3.101), tem-se,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

∫

etVC

stVC

tVC

ttVCto

tVCtVC

KcA

AVh

stVC

etVC

,,,

ln1

tan

VCtVCtVC

LWVm

(3.106)

Avaliando agora a integral da pressão tem-se,

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 81

)(ln1

,,,,,

eVCeVC

eVC

sVC

tVCtVC

sVC

eVC

−+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

∫

(3.107)

Substituindo então as Eq. (3.107) na Eq. (3.106) tem-se,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+=Δ−=−

eVC

sVC

etVC

stVC

tVCtVC

VCsVCeVC

ppp

,,,,

lnln)(

tan

VCtVCtVC

LWVm

(3.108)

As Eqs. (3.102) e (3.108) fornecem os valores de

VC,s

e p

VC s

(temperatura e pressão

na saída do VC). Note que a Eq. (3.102) depende da solução da Eq. (3.108) (já que o fluxo de

massa depende da pressão) e que esta última deve ser resolvida iterativamente por conta do

último termo do lado direito da equação. Na Eq. (3.108), o primeiro termo do lado direito

representa a queda de pressão devida ao atrito (parcela irreversível), enquanto que o segundo

termo é devido à variação da massa específica do ar com a pressão e com a temperatura. O

terceiro termo, por sua vez, representa a queda de pressão resultante da aceleração do

escoamento (efeito Bernoulli).

Em termos da resistência ao escoamento no feixe de tubos, a Eq. (3.108) pode ser

escrita na forma,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

++=

eVC

sVC

etVC

stVC

tVC

VCtVC

tVCc

LWV

,,,

lnln

tan

(3.109)

A queda de pressão total, que engloba toda região do feixe de tubos aletados do

evaporador, é dada pela seguinte expressão,

tVC

mRp

,''

∑

Δ−

=Δ

(3.110)

onde

n é o número de volumes de controle.

Resistência ao escoamento da região do by-pass

Esta região é compreendida entre as arestas das aletas do evaporador e as linhas

paralelas a estas arestas, que tangenciam os tubos mais próximos e as regiões de entrada ou

saída, como apresentado na Figura 3.43.

82 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

Vista Lateral do Evaporador

Vista Superior

By-pass

tubos

Figura 3.43 – Regiões do by-pass em uma vista lateral e superior.

O escoamento nesta região é admitido como o de camada limite sobre uma placa

plana. Além disso, como o número de Reynolds baseado no comprimento do evaporador,

fica, em todos os casos investigados, bem abaixo do valor crítico para transição à turbulência

(Re

L,c

= 5 x 10

), o regime é suposto laminar. A hipótese de escoamento em camada limite na

região do by-pass pode ser justificada pelos resultados mostrados na Figura 3.44, onde a

espessura da camada limite adimensional, δ

, é dada por,

(3.111)

em que

)Re/5(

x≈ é a espessura da camada limite hidrodinâmica para o escoamento

laminar em placa plana. A figura mostra doze casos extremos (dois valores de número de

aletas, 30 e 60, e duas vazões, 34 e 102 m

/h, para os três tipos de trocadores estudados), onde

apenas 5 apresentaram valores de δ

iguais a 1 para x < L/2 (~ 0,096 m), ou seja, para 7 dos

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 83

12 casos avaliados o comprimento da região de desenvolvimento hidrodinâmico supera a

metade do comprimento do evaporador.

0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18

0,2

0,4

0,6

0,8

x [m]

Reto 60 - 34 m

/hReto 60 - 34 m

Reto 60 - 102 m

/hReto 60 - 102 m

Reto 30 - 34 m

/hReto 30 - 34 m

Reto 30 - 102 m

/hReto 30 - 102 m

1/2 60 - 34 m

/h1/2 60 - 34 m

1/2 60 - 102 m

/h1/2 60 - 102 m

1/2 30 - 34 m

/h1/2 30 - 34 m

1/2 30 - 102 m

/h1/2 30 - 102 m

1/5 60 - 34 m

/h1/5 60 - 34 m

1/5 60 - 102 m

/h1/5 60 - 102 m

1/5 30 - 34 m

/h1/5 30 - 34 m

1/5 30 - 102 m

/h1/5 30 - 102 m

Figura 3.44 – Estimativa da espessura da camada limite ao longo do canal do by-pass.

A escolha do modelo de camada limite para descrever o escoamento na região do by-

pass

pode ser mais adequada (em comparação, por exemplo, com o modelo de escoamento

plenamente desenvolvido em um canal) em casos em que as aletas são descontínuas. Nestas

situações, espera-se que as camadas limites se renovem periodicamente em função da falta de

continuidade das superfícies estendidas na direção do escoamento principal (ver Figura 3.9).

Como a divisão do fluxo de massa entre as regiões do

by-pass e do feixe de tubos

(Eqs. (3.66)-(3.70)) é realizada em cada volume de controle, a posição e o comprimento das

regiões devem ser os mesmos, como mostra a Figura 3.45. Pode-se verificar na figura que

existem dois canais em um mesmo volume de controle, onde um deles pode apresentar um

comprimento maior do que o outro. Entretanto, por simplicidade, foi considerado um mesmo

comprimento (médio) para os canais.

De acordo com o modelo de resistências, a diferença de pressão a que estão

submetidas cada região do volume de controle (feixe de tubos e

by-pass) é a mesma. Porém, a

84 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

solução da equação que avalia a variação de pressão no by-pass é necessária para que se possa

obter a parcela do fluxo de massa que atravessa cada uma das regiões.

Fluido (Ar)

Volume de Controle

By-pass

VCbp

)(

VCbp

)(

bpVC

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

bpVCcbpVC

VAp

bpVCbpVCcbpVCbpVC

VVApp

,,,,

Δ+Δ+

ebpVCbpVCbpVC

ipm

),,(

,,,

sbpVCbpVCbpVC

ipm

),,(

,,,

',,

),,(

ebpaabpa

Tpm

',,

),,(

sbpaabpa

Tpm

Figura 3.45 – Volume de controle da região do by-pass utilizado no modelo do EFA.

A metodologia aplicada para obter a resistência ao escoamento na região do by-pass é

a mesma utilizada na avaliação do feixe de tubos. Dentro da região do by-pass, nos volumes

de controle, não existe variação da área de passagem do escoamento, ou seja, 0

=Δ

bpc

A .

Logo, a Eq. (3.96) pode ser escrita para o

by-pass com a seguinte forma,

bpVCbpf

bpc

bpVCbpVC

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+=Δ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

− 1

(3.112)

onde

bpc

é a área de passagem do ar pelo canal (descrito no Apêndice II),

h é o coeficiente

de transferência de calor do

by-pass,

é a eficiência da aleta e

é a área de contato

entre o fluido (ar) e as aletas da região do

by-pass de cada volume de controle. Este termo

pode ser definido da mesma maneira que a Eq. (3.80). Logo, tem-se que,

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 85

bpbp

=Δ

(3.113)

onde

é a área de contato entre as aletas do by-pass e o escoamento de ar (definida no

Apêndice II).

Substituindo a equação anterior e fazendo as mesmas considerações em relação aos

termos médios da região do feixe de tubos do volume de controle, através da integração da

Eq.(3.112), chega-se à seguinte equação,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+=Δ−=−

eVC

sVC

ebpVC

bpVC

bpt

bpVCbpVC

bpt

bpbp

VCsVCeVC

ppp

lnln)(

(3.114)

Conforme apontado anteriormente (Figura 3.44), realizando uma análise da espessura

da camada limite hidrodinâmica, a relação para a tensão de cisalhamento na parede pode ser

assumida como para um escoamento laminar sobre uma placa plana (Fox e McDonald, 1995),

328,1

,bpVC

(3.115)

Assim, a queda de pressão total acumulada em todos os volumes de controle para a

região do

by-pass é obtida pela seguinte expressão,

bpVC

bpP

mRp

,''

∑

Δ−

=Δ

(3.116)

onde,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

eVC

sVC

ebpVC

sbpVC

bpt

bpVC

bpVCbpt

bpbp

bpP

lnln

(3.117)

Finalmente, de posse das Eq. (3.77), (3.110) e (3.116), é possível obter

'' se

−

Δ e as

vazões de ar em cada região dos volumes de controle, para em seguida utilizar a Eq. (3.71) e

obter a queda de pressão total do evaporador.

3.3.2. Transferência de calor

Para a obtenção da transferência de calor no EFA, foi feita uma análise semelhante à

realizada para a queda de pressão. Entretanto, como pode ser visto na Figura 3.46, para a troca

86 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

de calor, o evaporador foi divido apenas nas regiões do feixe de tubos e by-pass, uma vez que

as regiões de entrada e saída descritas anteriormente têm um comprimento muito pequeno,

onde a troca térmica é suposta pouco significativa.

V.C. 1

V.C. 2

...

V.C. n

bpT

',,

,)(

iaTAapa

Tcm

',,

,)(

iapassbyapa

Tcm

−

',,

,)(

iapassbyapa

Tcm

−

aletadotuboP

−Δ

passbyP

−Δ

passbyP

−Δ

eaeapa

Tcm

,)(

sasapa

Tcm

,)(

1 2

teaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

teaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

teaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

bpeaapa

Tcm

),(

Figura 3.46 – Circuito térmico do modelo do evaporador.

Aplicando um balanço de energia em um dos volumes de controle da figura, para as

regiões do feixe de tubos e by-pass, pode-se escrever que,

)(

,,,,,, stVCetVC

ptVCtVC

TTcmQ −=

(3.118)

)(

,,,,,, sbpVCebpVC

pbpVCbpVC

TTcmQ −=

(3.119)

A taxa de transferência de calor total é dada por,

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 87

()

∑

⋅+=

bpVCtVCe

QQQ

&&&

(3.120)

Note que para obter a solução da equação anterior é necessário conhecer a parcela do

fluxo de massa de cada região e a temperatura de entrada e saída de cada volume de controle.

A vazão em massa é obtida da solução das equações da queda de pressão apresentadas na

seção anterior. Assumindo continuidade entre as temperaturas de volumes de controle

adjacentes, tem-se que,

stnVCetnVC

,,1,, −==

(3.121)

sbpnVCebpnVC

,,1,, −==

(3.122)

A temperatura no ponto

s da Figura 3.46 é obtida a partir do conceito de temperatura

média de mistura,

(

)

()

bpVCtVC

sbpVCbpVCstVCtVC

mnVC

TmTm

,,,,,,

⋅+

⋅

(3.123)

Os perfis de temperatura do ar no feixe de tubos e no

by-pass são obtidos a partir da

integração da equação da energia em cada volume de controle, conforme será descrito a

seguir.

Região do Feixe de Tubos Aletados

Realizando um balanço de energia em um dos volumes de controle da Figura 3.46,

assumindo as mesmas hipóteses simplificativas referentes às propriedades médias no volume

de controle e procedendo similarmente como nas Eqs. (3.90)-(3.95), esta última equação pode

ser expressa pela seguinte relação,

Lcm

ptVC

tto

tVC

Δ=

−

)(

(3.124)

Integrando desde a entrada do volume de controle até uma posição genérica, tem-se

que,

88 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

∫∫

Δ=

−

ptVC

tto

Lcm

eVC

)(

(3.125)

Resolvendo a integral acima, chega-se a,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

ptVC

tto

wiVC

Lcm

zAh

TzT

exp

)(

(3.126)

ou, na forma da Eq. (3.102),

22,

)1()( KTKTzT

weVC

−

(3.127)

onde

é calculado a partir da constante K

definida na Eq. (3.103),

Na saída do volume de controle, onde

z = L

, a Eq. (3.127) pode ser escrita na forma,

22,,,

)1( KTKTT

weVCstVC

−

(3.128)

onde

= 1 - exp(-K

Para se calcular o perfil de temperatura desta região, é necessário determinar o

coeficiente de transferência de calor,

h . A correlação que melhor se adequou aos

evaporadores estudados no presente trabalho foi a proposta por Wang e Chang (1998). Esta

correlação avalia o fator de Colburn

j para um feixe de tubos circulares com aletas planas e

contínuas em condições secas, para as seguintes faixas de variação dos parâmetros:

• Diâmetro externo, d

: 7 a 19,51 mm;

• Espaçamento entre as aletas, F

: 1,07 a 8,51 mm;

• Número de tubos na direção do escoamento (arranjo de tubos desencontrados),

N: 1 a 8;

• Espaçamento transversal entre os tubos, P

: 25,4 mm;

• Espaçamento longitudinal entre os tubos, P

: 22,0 mm;

• Faixa do número de Reynolds baseado no diâmetro externo e na velocidade

máxima (ou seja, na mínima área de seção transversal –

Re = ρV

max

/μ):

300 a 8000.

A correlação para feixes com até 4 fileiras de tubos é dada pela seguinte expressão,

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 89

0312,0502,0

328,0

Re14,0

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

(3.129)

Caso o feixe de tubos contenha mais do que 4 fileiras, deve-se utilizar a seguinte

correlação,

)4(607,0

031,0

092,0

Re24,2991,0

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(3.130)

A partir da definição do fator de Colburn

j, o coeficiente de transferência de calor é

dado por,

3/2

tVC

cjG

h =

(3.131)

Região do By-pass

O procedimento para se obter o perfil de temperatura na região do by-pass difere

daquele aplicado ao feixe de tubos somente no que se refere à eficiência térmica da superfície.

Como no

by-pass não há tubos, a eficiência da superfície é a própria eficiência da aleta, η

Logo, o perfil de temperatura para o

by-pass é dado por,

22,,,

')'1( KTKTT

weVCsbpVC

−

(3.132)

onde

K’

= 1 - exp(-K’

), e K’

é dado por,

bpVC

pbpVC

bpbpf

(3.133)

Mantendo a analogia com a queda de pressão na região do

by-pass, assume-se que o

escoamento do ar nesta região é em regime laminar sobre uma placa plana. Desta forma,

h é

dado pela seguinte correlação para o número de Nusselt (Incropera e DeWitt, 1992),

PrRe664,0

LlamL

Nu =

(3.134)

onde

Re é o número de Reynolds baseado no comprimento da superfície (

Re = ρVL

/μ).

Em termos do número de Nusselt,

h é definido por,

90 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

kNu

h =

(3.135)

onde

k é a condutividade térmica do fluido.

Finalmente, tendo definido os perfis de temperatura nas regiões do feixe de tubos

aletados e do

by-pass, é possível calcular a troca de calor nos EFA através da Eq. (3.120).

3.3.3. Validação do Modelo Matemático

De forma a validar o modelo para uma posterior análise de otimização do sistema de

refrigeração utilizando o conceito do EFA, as predições da queda de pressão e da

transferência de calor foram comparadas com os resultados dos 39 ensaios experimentais. Da

Figura 3.47 à Figura 3.49 são apresentadas as comparações dos resultados do modelo com os

dados experimentais em função da vazão de ar. Como pode ser observado, o modelo

apresentou uma boa concordância para a maioria dos trocadores tanto para a transferência de

calor quanto para a queda de pressão. No geral, observa-se uma melhor concordância na faixa

de vazões de ar entre 30 a 50 m

/h, onde normalmente operam os trocadores encontrados em

refrigeradores

no-frost. O maior desvio entre as predições e o experimento foi observado para

a queda de pressão do evaporador Original 52 aletas, uma vez que a presença das resistências

de degelo não foi considerada pelo modelo, modificando as características termo-hidráulicas

do escoamento pelo

by-pass neste trocador.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 91

30 50 70 90 11

120

160

200

Vazão

[

]

Transferência de Calor [W]

Experimental - Evap. #1Experimental - Evap. #1

ModeloModel o

30 50 70 90 11

Vazão

[

]

Queda de Pressão [Pa]

Experimental - Evap. #1Experimental - Evap. #1

ModeloModelo

30 50 70 90 11

120

150

Transferência de Calor [W]

Vazão

[

]

Experimental - Evap. #2Experimental - Evap. #2

ModeloModelo

30 50 70 90 11

Queda de Pressão [Pa]

Vazão

[

]

Experimental - Evap. #2Experimental - Evap. #2

ModeloModelo

30 50 70 90 11

100

175

250

325

Experimental - Evap. #4Experimental - Evap. #4

ModeloModelo

Vazão

[

]

Transferência de Calor [W]

30 50 70 90 11

Vazão [m

/h]

Queda de Pressão [Pa]

Experimental - Evap. #4Experimental - Evap. #4

ModeloModelo

Figura 3.47 – Comparação do modelo com dados experimentais de transferência de calor e queda de pressão

para os EFA Reto e 1/2.

92 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

30 50 70 90 11

125

175

225

Vazão

[

]

Transferência de Calor [W]

Experimental - Evap. #5Experimental - Evap. #5

ModeloModelo

30 50 70 90 11

Vazão

[

]

Queda de Pressão [Pa]

Experimental - Evap. #5Experimental - Evap. #5

ModeloModelo

30 50 70 90 11

100

140

180

220

260

ansfe

ência de Calo

[W]

Vazão

[

]

Experimental - Evap. #7Experimental - Evap. #7

ModeloModelo

30 50 70 9

Queda de Pressão [Pa]

Vazão

[

]

Experimental - Evap. #7Experimental - Evap. #7

ModeloModelo

30 50 70 90 11

120

150

180

Vazão

[

]

Transferência de Calor [W]

Experimental - Evap. #8Experimental - Evap. #8

ModeloModelo

30 50 70 90 11

Vazão [m

/h]

Queda de Pressão [Pa]

Experimental - Evap. #8Experimental - Evap. #8

ModeloModelo

Figura 3.48 – Comparação do modelo com dados experimentais de transferência de calor e queda de pressão

para os EFA 1/2 e 1/5.

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 93

30 50 70 90 11

100

120

140

Experimental - Evap. #11Experimental - Evap. #11

ModeloModelo

Vazão

[

]

Transferência de Calor [W]

30 50 70 90 11

Queda de Pressão [Pa]

Vazão

[

]

Experimental - Evap. #11Experimental - Evap. #11

ModeloModelo

30 60 90 12

110

Vazão

[

]

Transferência de Calor [W]

Experimental - Evap. #12Experimental - Evap. #12

ModeloModelo

30 60 90 12

Queda de Pressão [Pa]

Vazão

[

]

Experimental - Evap. #12Experimental - Evap. #12

ModeloModelo

Figura 3.49 – Comparação do modelo com dados experimentais de transferência de calor e queda de pressão

para o EFA Mini e Original.

A Figura 3.50 e a Figura 3.51 apresentam uma comparação geral entre os resultados

do modelo e os pontos experimentais. No que se refere à transferência de calor, todos os

pontos experimentais foram preditos com uma incerteza inferior a

±10%. Com relação à

queda de pressão, um maior espalhamento foi observado, sem, entretanto, uma tendência

bem-definida. Ainda assim, a maioria dos pontos experimentais (28 no total) foi corroborada

com uma incerteza igual ou menor do que

±10%. Do ponto de vista da generalidade do

modelo, tais resultados podem ser considerados satisfatórios, já que o procedimento de

cálculo não fez uso de qualquer ajuste baseado no presente experimento para efetuar a

regressão dos dados. Pelo contrário, optou-se pela utilização de correlações disponíveis na

literatura para trocadores de calor tubo-aleta.

94 Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA)

0 70 140 210 280 35

140

210

280

350

Transferência de Calor

(

erimental

)

[

]

Transferência de Calor (Modelo) [W]

+10%

-10%

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #11 - Mini 46Evap. #11 - Mini 46

Evap. #12 - Original 52Evap. #12 - Original 52

Figura 3.50 – Resultados de validação da troca de calor do Modelo versus Experimental.

0 20 40 60 8

Queda de Pressão

(

Experimental

)

[Pa]

Queda de Pressão (Modelo) [Pa]

+35%

-35%

-10%

+10%

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #11 - Mini 46Evap. #11 - Mini 46

Evap. #12 - Original 52Evap. #12 - Original 52

Figura 3.51 – Resultados de validação da queda de pressão do evaporador Modelo versus Experimental.

No contexto dos refrigeradores no-frost, os resultados do modelo para a transferência

de calor são mais importantes do que aqueles para a queda de pressão no evaporador. A razão

Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA) 95

para isto é o fato da queda de pressão no evaporador ser pequena em relação à queda de

pressão experimentada pelo ar ao circular pelo sistema de distribuição e pelos próprios

gabinetes. Em outras palavras, a queda de pressão no evaporador contribui de forma modesta

(tipicamente 15%) para a determinação do ponto de operação e, conseqüentemente, a vazão

volumétrica de ar produzida pelo ventilador.

Desta forma, uma validação para a queda de pressão foi realizada também com base

na queda de pressão total (evaporador + circuito de ar interno do refrigerador), conforme

mostra a Figura 3.52. Neste gráfico, a queda de pressão total experimental é dada pela soma

da queda de pressão no evaporador e no sistema

sem o evaporador (ambas determinadas

experimentalmente), enquanto a queda de pressão calculada é a soma da queda de pressão no

evaporador fornecida pelo modelo e a queda de pressão no sistema

sem o evaporador. Como

pode ser visto, a incerteza da queda de pressão total é reduzida a aproximadamente

±10%.

Assim, mesmo que o modelo do evaporador não reproduza a queda de pressão de maneira

precisa, o erro envolvido não exibe um impacto significativo sobre a queda de pressão total,

não acarretando, conseqüentemente, desvios significativos no cálculo da vazão de ar pelo o

evaporador e pelos compartimentos.

0 20 40 60 80 10

100

Queda de Pressão Total

(

erimental

)

[

]

Queda de Pressão Total (Modelo) [Pa]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #11 - Mini 46Evap. #11 - Mini 46

Evap. #12 - Original 52Evap. #12 - Original 52

+10%

-10%

Figura 3.52 – Resultados de validação da queda de pressão total do Modelo versus Experimental.

4. MODELO MATEMÁTICO DO SISTEMA DE

REFRIGERAÇÃO

4.1. Aspectos Gerais

Em sistemas de refrigeração por compressão mecânica, os componentes se encontram

interconectados e, conseqüentemente, qualquer alteração em um dos componentes pode afetar

o desempenho dos outros componentes individualmente e do próprio sistema como um todo.

A rigor, conforme demonstrado em alguns estudos (Pira

et al., 2000), não necessariamente,

uma melhoria no desempenho

individual (ou seja, isolado do sistema) de um dos

componentes se reflete em um melhor desempenho do sistema como um todo. Portanto, de

modo a se mensurar o impacto da alteração da configuração geométrica do evaporador sobre

o desempenho do sistema, um modelo integrado dos componentes do sistema de refrigeração

foi implementado computacionalmente.

Refrigeradores domésticos operam em regime transiente, uma vez que, na maioria dos

casos, o controle da capacidade de refrigeração é efetuado pela ciclagem (liga-desliga) do

compressor. A modelação transiente de um sistema de refrigeração é uma tarefa complexa,

que envolve a solução de equações diferenciais não-lineares e acopladas, de modo a resolver o

comportamento em função do tempo dos componentes do sistema de refrigeração e a

transferência de calor transiente nos gabinetes do refrigerador (Hermes, 2006).

Em algumas situações, entretanto, resultados satisfatórios podem ser alcançados

aproximando o comportamento do refrigerador por uma sucessão de ciclos em que, durante os

períodos em que o compressor permanece ligado, o sistema se comporta como se em regime

permanente. Uma vantagem desta abordagem simplificada sobre a modelação transiente

completa é o menor tempo computacional. Como um dos focos do presente estudo é a

realização de uma otimização, o tempo computacional é um parâmetro importante, já que em

torno de 2000 simulações são necessárias à obtenção de uma configuração ótima. Logo, um

aumento de alguns segundos no tempo computacional relativo a uma dada configuração pode

resultar em mais alguns dias para a obtenção do resultado final de otimização.

A formulação matemática do modelo do sistema de refrigeração aplicada neste

trabalho segue, em linhas gerais, a metodologia proposta por Pereira

et al. (2007). O

refrigerador foi dividido em cinco sub-modelos: compressor, trocadores de calor

(condensador e evaporador), dispositivo de expansão (trocador de calor tubo capilar – linha de

98 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

sucção) e gabinetes (refrigerador e congelador). Os sub-modelos foram baseados em

metodologias semi-empíricas, que consistem em utilizar uma abordagem teórica baseada nos

princípios fundamentais da conservação da massa, quantidade de movimento e energia,

complementadas por relações experimentais. Cada um desses sub-modelos será descrito a

seguir neste capítulo, exceto pelo modelo do evaporador que já foi descrito detalhadamente no

Capítulo 3. A Figura 4.1 mostra a notação a ser utilizada, juntamente com os componentes do

sistema de refrigeração.

No presente estudo, ensaios experimentais foram necessários somente para

caracterizar a transferência de calor e a perda de carga nos gabinetes, uma vez que sub-

modelos para os demais componentes já se encontravam disponíveis na literatura (Pereira

al.

2007, Hermes e Melo 2007, Hermes 2006 e Gonçalves 2004).

Por fim, ensaios experimentais para caracterizar o desempenho energético do

refrigerador foram conduzidos em uma câmara com temperatura controlada a fim de validar o

modelo do sistema de refrigeração. Depois de verificada a confiabilidade do modelo

matemático, foi possível realizar a análise de otimização do evaporador e de seu impacto

sobre o desempenho do sistema de refrigeração (a ser apresentada no Capítulo 5).

Figura 4.1 – Diagrama esquemático do sistema e acoplamento entre os sub-modelos do refrigerador (Pereira et

al., 2007).

4.2. Sub-Modelo do Compressor

O modelo de um compressor alternativo foi adotado no presente estudo, já que este é o

tipo mais amplamente empregado em refrigeração doméstica. O mecanismo de compressão é

baseado no movimento alternativo de um pistão no interior de um cilindro de compressão;

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 99

movimento este gerado por um motor elétrico. O compressor tem duas funções principais no

sistema de refrigeração: aumentar a pressão (e, conseqüentemente, a temperatura de saturação

correspondente) e bombear o fluido refrigerante. A Figura 4.2 mostra um diagrama

esquemático do mecanismo do compressor e o balanço de energia no sub-modelo do

compressor. Deste balanço de energia se obtém a entalpia do fluido na descarga deste

componente,

, dada pela seguinte expressão,

Deslocamento Volumétrico,

Espaço de Volume Morto,

Câmara de descarga

Câmara de sucção

Pistão

Volume do Cilindro

Manivela

Biela

Linha de Sucção

Linha de Descarga

Phvw

,,,

1 2

phvw

,,,

Figura 4.2 – Volume de controle do balanço de energia no compressor.

)(

−

(4.1)

onde

e h

são as entalpias do ponto 1 e do ponto 2 (entrada e saída do compressor,

respectivamente),

é o fluxo de massa,

é a potência total consumida pelo compressor e

é o calor rejeitado para o ambiente pela carcaça do compressor.

O fluxo de massa é obtido admitindo a existência de uma eficiência volumétrica

(Gosney, 1982). Deste conceito, a seguinte equação pode ser obtida,

(4.2)

onde

é o volume deslocado pelo pistão, N é a rotação do compressor, v

é o volume

específico do fluido refrigerante na admissão e

é a eficiência volumétrica do compressor. A

100 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

eficiência volumétrica é obtida considerando que o compressor tem razão de volume morto

c=V

(onde V

é o volume residual após cada ciclo do pistão), e realiza um processo

isentrópico. Assim, a eficiência volumétrica pode ser descrita pela seguinte equação,

1 Π−+=

(4.3)

onde

П é a razão de compressão (p

) e k é o expoente isentrópico (para um gás ideal

k=c

). Substituindo a Eq. (4.3) na Eq. (4.2) tem-se,

)1(

NcVNV

−Π+

(4.4)

Dessa forma, a equação anterior pode ser escrita como,

)1(

−Π+

(4.5)

onde

A=V

N e B=V

Nc, os quais podem ser obtidos a partir de uma regressão de dados

experimentais de fluxo de massa em função das temperaturas de condensação e evaporação.

Estes dados são disponibilizados pelos catálogos dos fabricantes de compressores para cada

modelo de compressor. Hermes (2006) verificou que os dados do fabricante apresentam uma

boa coerência com dados experimentais realizados em calorímetro. No presente trabalho,

foram utilizados três compressores fabricados pela EMBRACO

(Comp

, Comp

e Comp

para 220V/60Hz, usando R134a como fluido de trabalho. Como pode ser verificado na Figura

4.3, o modelo semi-empírico para o cálculo do fluxo de massa se ajusta bem aos dados

fornecidos pelo catálogo do fabricante, exibindo uma faixa de desvio em torno de ±5% de

concordância. Os valores obtidos do ajuste para os coeficientes

A e B da Eq. (4.5), utilizando

o método dos mínimos quadrados, foram os seguintes:

• Comp

: A=0,0003461 e B=0,000009157;

• Comp

: A=0,0003202 e B=0,000009537;

• Comp

: A=0,0003059 e B=0,000008532.

Nomes fictícios para os modelos dos compressores foram adotados por razões de confidencialidade

industrial.

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 101

O fluxo de massa de refrigerante aqui calculado é considerado como o mesmo que

atravessa todos os componentes do sistema de refrigeração, por se tratar de um ciclo fechado

e sem ramificações.

0 3 6 9 1

Fluxo de massa do fabricante

[

]

Fluxo de massa calculado [kg/h]

Comp

-5%

+5%

Figura 4.3 – Comparação entre o fluxo de massa fornecido pelo fabricante e o calculado pelo modelo semi-

empírico.

A potência de compressão é obtida também por meio de um ajuste dos dados

fornecidos pelo fabricante. Esta potência se relaciona linearmente com a potência de

compressão isentrópica segundo a seguinte relação,

skk

DWCW

(4.6)

onde

k,s

é a potência de compressão isentrópica, que pode ser obtida pela seguinte expressão

(Gosney, 1982),

)1(

−Π

−

− kk

esk

pwvW

(4.7)

Realizando um ajuste de mínimos quadrados na Eq. (4.6), com base nos dados de

potência em função das temperaturas de condensação e evaporação fornecidas pelo fabricante,

foram obtidos os seguintes valores para os coeficientes:

• Comp

: C = 16,19 e D = 1,648;

102 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

• Comp

: C= 46,88 e D= 1,323;

• Comp

: C= 33,92 D= 1,181.

A Figura 4.4 mostra que a concordância entre potência fornecida pelo fabricante e a

calculada pelo ajuste é da ordem de ±5%.

0 70 140 210 280 35

140

210

280

350

Potência do fabricante

[

]

Potência calculada [W]

-5%

+5%

Comp

Figura 4.4 – Comparação entre a potência fornecida pelo fabricante e a calculada pelo modelo semi-empírico.

O calor rejeitado pela carcaça do compressor

poder ser correlacionado através da

lei de resfriamento envolvendo uma condutância térmica global

, que é dada pela seguinte

expressão,

)(

2 ambkk

TTUAQ −=

(4.8)

onde

e T

amb

são as temperaturas do gás na descarga do compressor e no ambiente externo,

respectivamente. Segundo Pereira

et al. (2007), um valor típico para a condutância global do

compressor é 2 W/K.

De posse do calor rejeitado pelo compressor, da potência de compressão e do fluxo de

massa, é possível então calcular a entalpia

pela Eq. (4.1). É importante ressaltar que a

solução da Eq. (4.1) é obtida resolvendo simultaneamente a Eq. (4.8), já que a temperatura

depende da entalpia

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 103

),,(

22 c

phFluidofT

(4.9)

4.3. Sub-Modelo do Condensador

O condensador utilizado neste trabalho é um trocador de calor do tipo arame-sobre-

tubo

, confeccionado em aço, amplamente usado em refrigeração doméstica por seu baixo

custo e robustez. O escoamento do ar através destes tipos de condensadores pode ser por

convecção natural ou forcada. Para baixas capacidades de refrigeração, como é o caso dos

refrigeradores avaliados no presente trabalho, são utilizados condensadores por convecção

natural. O condensador é posicionado na parte traseira do refrigerador, com os arames (que

funcionam como superfícies estendidas) alinhados verticalmente, a uma distância de 35 mm

da parede externa do gabinete. A Figura 4.5 mostra uma representação esquemática deste

trocador e a nomenclatura dos parâmetros geométricos, assim como as variáveis envolvidas

no balanço de energia do sub-modelo deste componente.

phvw

,,,

phvw

,,,

Figura 4.5 – Variáveis envolvidas no balanço de energia e dimensões do condensador arame-sobre-tubo.

As regiões superaquecidas e sub-resfriadas que ocorrem normalmente no condensador

não foram consideradas, ou seja, a temperatura do fluido que escoa dentro do condensador foi

considerada como constante ao longo de todo condensador. Esta hipótese foi assumida para

104 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

simplificar o modelo referente ao condensador, porque caso fossem modeladas também as

regiões superaquecida e sub-resfriada um maior tempo computacional seria exigido para obter

a transferência de calor neste componente, e conseqüentemente, um alto tempo computacional

poderia ser exigido para realizar as análises de otimização utilizando o modelo matemático do

sistema de refrigeração.

Logo, do balanço de energia no condensador como ilustra a Figura 4.5, se obtém a

seguinte expressão,

−=

(4.10)

A taxa de transferência de calor do condensador para o ambiente pode ser obtida pela

seguinte equação,

)(

ambccc

TTUAQ −=

(4.11)

onde

e T

amb

são as temperaturas de condensação e do ambiente externo, respectivamente, e

é a condutância térmica global do condensador. UA

foi obtido através da correlação

proposta por Hermes e Melo (2007), a qual é função da geometria do condensador e das

temperaturas

e T

amb

. Esta correlação foi obtida a partir de 72 testes experimentais para 24

condensadores de diferentes geometrias, com valores de diâmetro externo do tubo entre 4,8 e

6,2 mm, número de linhas de tubos entre 13 e 25 e número de pares de arames entre 10 e 90.

Os testes foram realizados com uma diferença de temperatura entre a superfície externa dos

tubos do condensador e o ambiente entre 3,6 e 36,1 °C.

A correlação de Hermes e Melo (2007) é baseada no

Teorema dos Pi de Buckingham

através da seguinte expressão,

Tradc

AhUA

08,0

49,0

28,0

60,0

68,5

ππππ

−

⋅=

(4.12)

onde

rad

é o coeficiente de transferência de calor de radiação, A

é a área superficial externa

de troca, o termo

é uma relação entre as áreas das superfícies de tubos e arames, π

e π

relacionam os espaçamentos entre tubos e arames, enquanto

envolve a diferença de

temperaturas, que é a força motriz para o escoamento do ar (empuxo). Estes grupos

dimensionais são dados pelas seguintes equações,

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 105

filme

ambc

−

4321

;;;

ππππ

(4.13)

onde

e A

são as áreas superficiais dos arames e tubos, respectivamente, e T

filme

(=(T

amb

)/2) é a temperatura de filme do escoamento de ar sobre o condensador. A Tabela 4.1

apresenta os valores dos parâmetros geométricos para o condensador utilizado no presente

trabalho.

Tabela 4.1 – Valores dos parâmetros geométricos do condensador utilizado.

Parâmetro Geométrico Valor [m]

Altura do condensador, H 1,3

Comprimento do arame, H

1,35

Largura do condensador, W 0,45

Diâmetro do tubo, d

0,0048

Diâmetro do arame, d

0,0015

Espaçamento entre os tubos, P

0,05

Espaçamento entre os arames, P

0,005

4.4. Sub-modelo do Trocador de calor Tubo capilar – Linha de Sucção

Tubos capilares são amplamente utilizados como dispositivos de expansão em

refrigeradores domésticos por suas características de baixo custo e simplicidade em

comparação com outros tipos de dispositivo de expansão. Construtivamente, os tubos

capilares possuem elevada razão de aspecto, com diâmetro interno em torno de 0,6 mm e

comprimento da ordem de 3 m.

A principal função do dispositivo de expansão é reduzir a pressão do fluido entre o

condensador e evaporador, o que, no tubo capilar, é alcançado por meio do atrito e da

aceleração do fluido refrigerante, com mudança de fase. Com o intuito de aumentar a

capacidade de refrigeração e garantir a entrada de vapor superaquecido no compressor

(evitando assim o chamado golpe de líquido e outros efeitos indesejáveis decorrentes da

entrada de líquido no compressor), o tubo capilar é geralmente montado na forma de um

trocador de calor em contra corrente com a linha de sucção (Figura 4.6).

106 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

hex

Linha de Sucção Isolamento

Tubo Capilar

phw

Figura 4.6 – Diagrama esquemático do trocador de calor tubo capilar – linha de sucção.

O escoamento através de tubos capilares conectados à linha de sucção é de grande

complexidade, envolvendo escoamentos bifásicos, compressíveis e com transferência de

calor. Na literatura, há diversos modelos e correlações para o cálculo do escoamento e para o

dimensionamento de tubos capilares adiabáticos e não-adiabáticos (Hermes, 2006). As

abordagens mais precisas geralmente envolvem a integração de equações diferenciais ao

longo do comprimento do capilar, o que confere à solução um custo computacional

relativamente elevado.

No presente estudo, em virtude da simplicidade exigida pelo modelo a ser usado na

otimização, optou-se por uma metodologia que contornasse a necessidade de se resolver o

escoamento no capilar e, ao mesmo tempo, evitasse a necessidade de se especificar a carga de

fluido refrigerante no sistema. Esta última é uma das tarefas mais complexas da modelagem

de sistemas de refrigeração, uma vez que requer o conhecimento das frações volumétricas de

líquido e vapor no sistema, a fim de se realizar o inventário de massa de refrigerante

(Gonçalves, 2004). A metodologia, a ser descrita em detalhes na Seção 4.6, consiste em

prescrever um sub-resfriamento na saída do condensador e um superaquecimento na entrada

do compressor. Assim, é possível obter a geometria do capilar

a posteriori, por meio de

correlações experimentais que fornecem o diâmetro do capilar,

, em função das pressões de

evaporação e condensação, temperaturas e alguns parâmetros geométricos do capilar, como o

comprimento do tubo capilar.

Para se obter a entalpia no ponto 4, ou seja, na entrada do evaporador, realiza-se um

balanço de energia conforme mostra a Figura 4.6, obtendo a seguinte expressão,

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 107

1534

hhhh

−

(4.14)

Neste balanço de energia foi considerado que o fluxo de massa é o mesmo nas duas correntes

e que o trocador de calor esta isolado do ambiente externo.

A temperatura no ponto 1,

, pode ser calculada a partir da efetividade do trocador de

calor,

ε, que obedece a relação,

)(

5351

TTTT

−

(4.15)

Para um refrigerador similar ao aqui analisado, Gonçalves (2004) mostrou, através de vários

dados experimentais, que o valor da efetividade pode ser considerado constante e igual a

0,875. Este valor foi definido para comprimento e diâmetro do tubo capilar constantes,

variando apenas o fluxo de massa do fluido refrigerante (mesmas considerações aplicadas no

presente modelo).

4.5. Sub-modelo do Gabinete

O gabinete de um refrigerador doméstico compreende os compartimentos do

refrigerador e do congelador. A principal função do gabinete é isolar termicamente os

compartimentos do ambiente externo. Para tanto, as paredes do gabinete são compostas por

três camadas: uma chapa de aço externa (

), um preenchimento de poliuretano expansível

(

) e uma chapa plástica interna (δ

) com espessura igual a 1, 100 e 3 mm, respectivamente.

A Figura 4.7 mostra um diagrama esquemático dos compartimentos do refrigerador, com as

principais variáveis envolvidas.

A circulação de ar interna nos compartimentos pode ser por convecção natural ou

forçada. Nos refrigeradores com circulação por convecção natural, o evaporador é de placa

plana (conhecido também como

roll-bond), normalmente posicionado na parte superior de

cada compartimento. Um inconveniente deste tipo de evaporador, conforme apontado

anteriormente, é a formação de gelo nas paredes internas dos gabinetes. Já nos refrigeradores

em que a circulação de ar é por convecção forçada (conhecidos também por

frost-free ou no-

frost

), o movimento do ar é gerado por um ventilador acoplado ao evaporador. Tais

refrigeradores utilizam geralmente evaporadores posicionados em um compartimento no

fundo do ambiente do congelador (Figura 4.7).

108 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

Porta

Gaxeta

Ventilador,

V.C. Evaporador

Plenum

Porta

Damper

V.C Refrigerador

V. C. Congelador

inr

cgcg

incg

ine

rte

Isolamento

Ambiente

Interno

Ambiente

Externo

Chapa

Plástica

Poliuretano Chapa Aço

pi o

Figura 4.7 – Componentes do gabinete e principais variáveis envolvidas.

O controle de temperatura do compartimento do congelador de refrigeradores no-frost

é realizado através de termostatos, enquanto no compartimento do refrigerador, esse controle

é feito através de um regulador da passagem de ar, ou

damper. Os termostatos verificam as

temperaturas e realizam o comando de “liga-desliga” do compressor, fazendo com que as

temperaturas dos compartimentos se mantenham dentro da faixa desejada. Já o

damper

controla a vazão de ar em circulação entre os compartimentos do congelador e do

refrigerador. Desta forma, ele exerce também influência direta na temperatura do ambiente do

refrigerador.

Os dispositivos de controle acima descritos são importantes durante a operação

transiente do sistema, pois controlam as temperaturas durante as variações de carga térmica.

Porém, no produto do presente estudo, todos os termostatos foram desativados e o

damper foi

fixado na posição 100% aberto, já que era de interesse somente o comportamento em regime

permanente. Para uma posição do

damper fixa, a relação de vazão de ar entre os

compartimentos,

, pode ser escrita pela expressão,

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 109

(4.16)

onde

representam, respectivamente, os fluxos de massa de ar que atravessam os

compartimentos do congelador e do refrigerador.

4.5.1. Modelo de Carga Térmica

Para se determinar a capacidade de refrigeração,

, (ou seja, a quantidade de calor

que o evaporador precisa retirar dos compartimentos por unidade de tempo para mantê-los nas

temperaturas

e T

) é necessário estimar a carga térmica, ou seja, a quantidade de calor

absorvida pelas paredes do gabinete e também a energia interna gerada por unidade de tempo

por alguns componentes, como o ventilador ou a resistência de degelo. Para tanto, foi

utilizada a metodologia desenvolvida por Gonçalves (2004) para o cálculo da carga térmica.

Esta metodologia, descrita abaixo em detalhes, é baseada em balanços de massa e energia nos

compartimentos e faz uso de condutâncias térmica globais dos compartimentos obtidas

experimentalmente.

Efetuando balanços de massa e energia no volume de controle (VC) do evaporador

(ver Figura 4.7), obtemos,

rcge

mmm

&&&

(4.17)

tinprinpcgvrprcgpcg

QTcmTcmgTcmTcm

&&&&&

++=++ )()()()(

(4.18)

Aplicando-se um balanço de energia para os compartimentos superior (congelador) e

inferior (refrigerador), chega-se em,

cgpcgcgcrcginpcg

TcmgQQTcm )()(

=+++

(4.19)

cgrprrrinpr

QTcmgQTcm

+=++ )()(

(4.20)

onde

são as potências elétricas dissipadas no congelador, refrigerador e no

compartimento do evaporador, respectivamente.

são referentes às resistências

colocadas dentro de cada compartimento para realizar o controle da temperatura desses

ambientes, já que os termostatos foram desativados e o sistema de refrigeração se mantinha

110 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

sempre ligado (regime permanente). Os parâmetros

são obtidos a partir das

seguintes equações,

)(

cgrcrcr

TTUAQ −=

(4.21)

)(

rambrr

TTUAQ −=

(4.22)

)(

cgambcgcg

TTUAQ −=

(4.23)

onde

, UA

e UA

são as condutâncias térmicas globais referente aos compartimentos do

congelador, refrigerador e do

mullion (travessa que separa os dois compartimentos),

respectivamente.

Dividindo por

, substituindo as Eqs. (4.21)-(4.23) e (4.16) e rearranjando as Eqs.

(4.18)-(4.20), é possível eliminar a temperatura de insuflamento,

, obtendo as seguintes

expressões,

cgr

ambcg

tvcg

Qgg

)()(

)(

−

−=−+

(4.24)

ambr

cgr

tvr

Qgg

)(

))(1(

−

=−−+

(4.25)

onde,

UAcm

+−

)(

φφ

(4.26)

(4.27)

(4.28)

As condutâncias térmicas dos compartimentos foram obtidas experimentalmente

aplicando-se a metodologia proposta por Gonçalves (2004). No Apêndice V são mostrados os

procedimentos e os resultados experimentais para a obtenção destas condutâncias globais. Os

valores experimentais obtidos para estes parâmetros foram:

= 0,52 W/K, UA

= 1,25

W/K e

= 0,105 W/K.

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 111

O modelo de carga térmica foi usado de duas maneiras distintas no presente trabalho:

Para obter os resultados de validação, a carga térmica (

) é igualada à

capacidade de refrigeração do evaporador (

), obtida do modelo do

evaporador pela Eq. (3.120). Assim, no sistema de 2 equações ― (4.24) e

(4.25) ― as duas incógnitas são

e T

, e são conhecidos

amb

T ,

é calculado com base no modelo de circulação de ar interna a ser descrito a

seguir no item 4.5.2. Já a variável

foi obtida experimentalmente, sendo igual

0,8 (o experimento referente a este parâmetro é descrito no Apêndice VI);

ii.

Quando se deseja prescrever as temperaturas dos compartimentos do

congelador (

) e do refrigerador (T

), as incógnitas do sistema de equações do

modelo de carga térmica passam a ser

. Este procedimento foi utilizado

nas análises de otimização do sistema de refrigeração, já que o interesse neste

caso é calcular o desempenho do sistema em função das temperaturas de

projeto dos compartimentos, onde a carga térmica não necessariamente é igual

à capacidade de refrigeração. Esta metodologia é descrita por Pereira

et al.

(2007) e através dela é possível também calcular o consumo de energia

considerando o regime cíclico periódico do refrigerador (assumindo que

durante o período de compressor ligado tanto a carga térmica quanto a

capacidade de refrigeração não variam no tempo). Desta forma, tem-se,

ciclo

ligado

≅=

(4.29)

)(73,0

WWCE

+⋅≅

(4.30)

onde

ligado

e t

ciclo

representam, respectivamente, o tempo do

compressor/ventilador ligado e o tempo de um ciclo completo do refrigerador.

τ é a fração de funcionamento e CE é o consumo de energia do refrigerador em

kWh/mês.

A temperatura de retorno

na entrada do evaporador também deve ser determinada,

já que esta é usada como variável de entrada no modelo do evaporador. Esta temperatura pode

ser obtida através de uma regra de mistura na entrada do compartimento do evaporador,

fornecendo,

112 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

rcgrt

TTT )1(

−

(4.31)

4.5.2. Modelo de circulação interna de ar

Para a obtenção da transferência de calor e da queda de pressão no evaporador e da

carga térmica do gabinete, é necessário conhecer vazão de ar que circula pelo evaporador e

compartimentos do gabinete. Para este fim, foi desenvolvido um modelo de circulação de ar

interna que fornece a vazão total que passa pelo evaporador e pelos compartimentos do

refrigerador e congelador.

O ponto de operação e a vazão em um conjunto

ventilador-sistema são obtidos

igualando as curvas de diferença de pressão imposta pelo ventilador e de queda de pressão

(impedância) do circuito do ar, ambas em função da vazão (Figura 4.8).

Vazão

Vazão de operação

de trabalho

Ponto de operação

Curva característica do sistema

Curva característica do ventilador

Figura 4.8 – Ponto de operação do conjunto ventilador-sistema.

A curva característica do sistema é obtida a partir da combinação de todas as

resistências ao escoamento associadas a cada componente do circuito do ar pelos gabinetes.

Em gabinetes de um só compartimento, é comum modelar o sistema a partir de uma

associação de resistências em série. Entretanto, em refrigeradores de dois compartimentos, as

vazões de ar pelo refrigerador e pelo congelador são diferentes (devido a diferentes

impedâncias entre os dois compartimentos), sendo uma associação de resistências em paralelo

mais realista. O circuito elétrico equivalente proposto no presente trabalho é mostrado na

Figura 4.9.

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 113

Ventilador

Evaporador

Congelador

Refrigerador

Figura 4.9 – Esquema da circulação interna de ar dentro do gabinete e analogia com circuito elétrico.

A analogia com circuitos elétricos permite escrever as seguintes equações,

eqet

ppp

(4.32)

tntttt

VaVaVaaVfp

&&&&

++++==Δ ...)(

210

(4.33)

cgcgcgeq

VIp

=Δ

(4.34)

onde,

(4.35)

As Eqs. (4.32)-(4.34), juntamente com as Eqs. (4.16) e (4.17) formam um sistema de 5

equações e 5 incógnitas (

pΔ ,

é determinado com base na

temperatura do compartimento do congelador.

é obtido do modelo do evaporador

descrito no Capítulo 3. Os coeficientes do polinômio da Eq. (4.33) e o coeficiente de queda de

pressão

I foram obtidos experimentalmente, sendo os procedimentos descritos no Apêndice

VI. Para os ventiladores axiais utilizados em refrigeradores domésticos, observou-se que um

polinômio de 3º grau correlaciona satisfatoriamente a curva experimental do ventilador. Para

os dois ventiladores testados, os seguintes valores foram obtidos para os coeficientes (Eq.

4.33):

• Original: a

= 33,9; a

= 0,014; a

= -0,0033, a

= 0,000029;

• DC 24V: a

= 39,2; a

= -0,41; a

= 0,0081, a

= -0,000089.

114 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

O valor do coeficiente de queda de pressão obtido experimentalmente (Eq. (4.34)) foi

I = 176921, onde a vazão volumétrica é em m

/s e a queda de pressão em Pa.

4.6. Integração dos Componentes do Sistema

A simulação do sistema de refrigeração depende da solução do sub-modelo de cada

componente apresentado neste capítulo. O acoplamento entre cada um dos sub-modelos em

termos das variáveis do problema (ou seja, das condições de contorno para cada um dos

componentes) é ilustrado na Figura 4.10. As entalpias são transmitidas de um componente

para o outro através fluxo de massa de refrigerante. Este fluxo de massa é definido pelo

modelo do compressor, e é assumido constante e uniforme para todos os componentes do

ciclo. O mesmo pode ser observado para o circuito do ar, onde o fluxo de massa é definido no

modelo de circulação interna.

Condensador

Compressor

Evaporador

Carga

Térmica

Trocador de Calor

TC – LS

Circulação

Interna de Ar

Gabinete

arrt

cgr

Refrigerante

amb

Ambiente

Figura 4.10 – Acoplamento entre os componentes do sistema de refrigeração.

Para se obter a solução do modelo do sistema, é preciso determinar as pressões de

evaporação e de condensação. Em uma abordagem tradicional (Gonçalves, 2004), as pressões

Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração 115

são obtidas a partir de duas relações de fechamento adicionais fornecidas pelos balanços de

massa a seguir,

−

(4.36)

=−

∑

(4.37)

onde

são, respectivamente, a vazão mássica deslocada pelo compressor e a vazão

mássica que atravessa o tubo capilar.

M é a massa de refrigerante do sistema (carga) e M

é a

massa de refrigerante contida em cada componente do ciclo de refrigeração.

A solução dessas equações exige um alto custo computacional e, normalmente,

apresenta sérios problemas de convergência, por serem as Eqs. (4.36) e (4.37) funções

implícitas e fortemente não-lineares das pressões de condensação e de evaporação

(Gonçalves, 2004). Assim, a fim de contornar estes problemas, conforme proposto por Pereira

et al. (2007), são prescritos graus de sub-resfriamento no condensador e superaquecimento no

evaporador, de modo que as pressões/temperaturas de evaporação e condensação possam ser

calculadas diretamente através das seguintes equações,

)(

sup5

TTpp

sate

−

(4.38)

)(

3 subsatc

TTpp

(4.39)

Este procedimento, denominado Sub-resfriamento – Superaquecimento (

Sup-Sub), não

só elimina os problemas numéricos mencionados, como também aproxima a análise numérica

da condição de projeto de sistemas de refrigeração. Assim, tanto o tubo capilar como a carga

de refrigerante são ajustados

a posteriori para que o sistema opere com os graus de

superaquecimento e sub-resfriamento pré-determinados, preferencialmente próximos de zero.

Assim, o diagrama de acoplamento entre os componentes da figura anterior pode ser

alterado, como mostra a Figura 4.11. Como pode ser visto, dadas as temperaturas

e T

para

o sub-modelo

Sub-Sup, é possível calcular as pressões de evaporação e condensação pelas

Eqs. (4.38) e (4.39) (matematicamente, estas equações substituem as Eqs. (4.36) e (4.37)).

Com isso, estas pressões são utilizadas simultaneamente na solução de todos outros sub-

modelos do ciclo do refrigerante, a qual é realizada com o uso do código computacional EES

–

Engineering Equation Solver (Klein, 2007).

116 Modelo Matemático do Sistema de Refrigeração

Condensador

Compressor

Evaporador

Carga

Térmica

Trocador de Calor

TC – LS

Circulação

Interna de Ar

Gabinete

arrt

cgr

Refrigerante

Sub-Sup

amb

Ambiente

Figura 4.11 – Acoplamento entre os componentes com a prescrição dos graus de sub-resfriamento e

superaquecimento.

5. CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO

(PEC)

5.1. Aspectos Gerais

Em linhas gerais, o uso de critérios de avaliação de desempenho (PEC

) está associado

a procedimentos de otimização nos quais se escolhe uma variável do problema a ser

maximizada ou minimizada (a função objetivo) mediante a manutenção de uma ou mais

variáveis fixas (as restrições). A meta principal da realização deste procedimento de

otimização em sistemas de refrigeração é um aumento do desempenho de um componente em

particular (do trocador de calor, por exemplo) ou, mais importante, do sistema como um todo.

Obviamente, quanto mais informações acerca dos parâmetros do problema forem

incorporadas ao procedimento de otimização, maiores serão as chances de o procedimento ser

bem-sucedido, isto é, de que um verdadeiro máximo global da função objetivo seja calculado.

Tradicionalmente, quando empregados no nível do componente, os PEC são usados

para comparações entre diferentes trocadores (ou diferentes configurações de superfícies de

troca, como aletas planas, aletas descontínuas etc.) (Shah e Sekulic, 2003; Yilmaz et al., 2005;

Webb e Kim, 2005). Por exemplo, no caso de um evaporador, a função objetivo pode ser a

capacidade de refrigeração (variável maximizada) e o parâmetro a ser mantido fixo (restrição)

pode ser a área frontal ou a potência de bombeamento. Entretanto, os PEC também podem ser

empregados na otimização dos parâmetros geométricos de uma dada configuração de

superfície de troca (diâmetro de tubos, espaçamento entre aletas, espaçamento entre tubos

etc.) para uma dada aplicação. Por exemplo, nesse caso, a função objetivo a ser minimizada

pode ser o volume de material do trocador para uma dada capacidade de transferência de calor

(restrição).

Os critérios de avaliação de desempenho (PEC) usados neste trabalho foram

formulados com base em variáveis adimensionais. O uso de variáveis adimensionais fornece

uma generalidade e maior facilidade na comparação, análise dos resultados e

dimensionamento de trocadores de calor (Pira

et al., 2000). Especificamente, o objetivo da

O termo PEC vem da sigla em inglês Performance Evaluation Criteria e será usado ao longo do texto

por ser um termo comumente usado nos trabalhos da literatura sobre trocadores de calor.

118 Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC)

presente análise pode ser resumido da seguinte forma: para temperaturas nos compartimentos

refrigerados fixadas em -18 ° no congelador e 5 °C no refrigerador (restrições), deseja-se

encontrar uma determinada a dimensão

da seção transversal de saída, o número de aletas

(

) e o comprimento (L) de um EFA que forneçam um menor volume para o trocador

(conseqüentemente, uma menor massa de material), menor custo ou menor consumo de

energia do refrigerador (objetivos).

Na busca por uma função objetivo que compreendesse a otimização em diversos níveis

(desde o componente até o sistema como um todo), foram utilizadas as três definições de PEC

formuladas por Pira

et al. (2000). São elas,

Transferência de calor por unidade de potência de bombeamento do ar no

evaporador (“PEC

θ”);

ii.

Transferência de calor por unidade de potência de compressão mais

bombeamento do ar no evaporador (“PEC Ω”);

iii.

O próprio COP do sistema (“PEC COP

sistema

”).

É possível notar que, nas formulações acima, o nível de abrangência da função

objetivo aumenta gradativamente, começando por uma simples relação entre a transferência

de calor e a queda de pressão do lado do ar no evaporador. Em seguida, são incorporadas

características do sistema, como a potência do compressor. Finalmente, no último nível (que,

em última análise, trata da otimização do sistema com base na Primeira Lei da

Termodinâmica), são avaliados todos os componentes simultaneamente. Neste caso, o “PEC

COP

sistema

” avalia o desempenho global, levando em consideração os parâmetros de todos os

componentes.

Conforme mencionado anteriormente, na determinação das relações dos PEC, são

necessárias especificações de algumas restrições, que são obtidas normalmente a partir das

restrições de projeto de um determinado sistema e aplicação. Um maior detalhamento sobre a

definição e aplicação dos PEC citados acima é fornecido no trabalho de Pira

et al. (2000).

5.2. Formulação dos PEC Lambda e Kappa

5.2.1. PEC Lambda (Λ)

Um dos principais focos do presente trabalho é a redução da massa de alumínio do

evaporador. De modo a incorporar este objetivo no processo de otimização, é proposta uma

Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC) 119

nova classe (ou família) de PEC, denominada “

PEC Λ”. Estes PEC são definidos com base

nas relações propostas por Pira et al. (2000), e são expressos da seguinte maneira,

EFAad

)(

=ΘΛ

(5.1)

EFAad

)(

=ΩΛ

(5.2)

onde os PEC de Pira et al. (2000) são dados por,

EFA

nEFA

EFAad

=Ω=Θ

(5.3)

EFA#1

e M

EFA#n

são as massas do EFA #1 (Reto 60 aletas) e de um EFA #n, onde n se

refere a um EFA qualquer para o qual 1/5 <

< 1. As expressões para cálculo da massa

do EFA são fornecidas no Apêndice I.

Esta nova família de PEC visa a obtenção de uma máxima eficiência do evaporador

para uma mínima massa total de aletas e tubos, uma vez que se acredita que para o EFA seja

possível obter uma taxa de transferência de calor da mesma ordem de grandeza que a do

evaporador convencional (EFA #1) com um menor volume de trocador por meio da

aceleração do escoamento.

Assim, fazendo uma busca por um ótimo das funções PEC Λ, é possível obter uma

geometria ideal para uma máxima eficiência do EFA, onde as variáveis independentes desta

otimização são as dimensões geométricas do EFA. As Eqs. (5.1) e (5.2) mostram o conceito

do PEC Λ aplicado aos PEC definidos por Pira

et al. (2000) para o primeiro e segundo níveis

de generalidade (análise individual do componente). Entretanto, Pira

et al. (2000) observaram

que a otimização de um componente analisado separadamente nem sempre é seguida de uma

melhora no desempenho do sistema como um todo.

Logo, é proposto também, no nível do sistema, um PEC Λ que englobe todos os

componentes simultaneamente, dado pela seguinte relação,

EFAad

sistema

COP

)( =Λ

(5.4)

onde,

120 Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC)

sistema

COP

−

(5.5)

Através do PEC Λ, pode ser adicionado também um fator de correção relativo ao custo

do material (

custo

) das aletas em relação aos tubos. Adicionar uma correção à variável que

tem um menor peso no custo total do evaporador, torna a análise mais realista do ponto de

vista de custo real de fabricação,

tubosadaletasadcusto

sistema

MMF

COP

=Λ

(5.6)

onde

ad,aletas

e M

ad,tubos

são, respectivamente, as massas adimensionalizadas das aletas e dos

tubos do EFA, dadas pelas equações,

tubosEFA

tubosnEFA

tubosad

aletasEFA

aletasnEFA

aletasad

,1#

(5.7)

5.2.2. PEC Kappa (K)

Por se tratarem de razões entre grandezas absolutas, os PEC descritos anteriormente

podem levar a resultados que, mesmo sendo ótimos do ponto de vista relativo, podem ser

inadequados com relação aos valores absolutos dos parâmetros que os compõem. Em outras

palavras, tais PEC não levam em consideração se os valores do numerador ou do

denominador são “ruins”, uma vez que julgam apenas a relação entre eles. Isto pode fazer

com que a otimização conduza a um resultado pouco realista no contexto da aplicação do

sistema de refrigeração. Para ilustrar a explicação anterior, considere o seguinte exemplo para

PEC Λ(COP) (Eq. (5.4)):

• Em um sistema de refrigeração X com um evaporador A, tem-se: COP

sistema

= 3

EFAad

= 1. Logo, PEC Λ = 3;

• Para o mesmo sistema X com um evaporador B, tem-se: COP

sistema

= 1 e

EFAad

= 1/3. Logo, PEC Λ também igual a 3;

Portanto, para uma mesma redução percentual no numerador e denominador, tem-se

um mesmo valor de PEC, ainda que o valor de

COP

sistema

seja extremamente baixo. No caso

do exemplo,

COP

sistema

foi reduzido em 300%, porém, como a massa foi reduzida na mesma

proporção, foi obtido um mesmo valor de PEC. Assim, é possível concluir que a avaliação

Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC) 121

conferida pelos PEC anteriores pode levar a resultados, ainda que ótimos, incompletos e

insatisfatórios do ponto de vista prático.

A fim de contornar este problema, foi desenvolvido um PEC que avalia com a mesma

importância o numerador e o denominador. Além disso, o critério avalia a posição em que

cada um desses parâmetros se encontra com relação aos seus valores máximos ou mínimos,

dentro do domínio das possíveis soluções. Este PEC, chamado aqui de

Κappa (K), obedece à

seguinte relação,

COP

COP =Κ

)(

(5.8)

onde,

1#,

min,max,

min,#,

sistema

nsistema

sistemasistema

sistemansistema

COP

COPCOP

COP +

−

(5.9)

(

)

(

)

()()

()

EFAad

EFAadEFAad

EFAad

min

max

min

−

(5.10)

Os sub-índices

max e min se referem, respectivamente, aos valores máximos e mínimos

possíveis de

COP

sistema

EFAad

para um determinado sistema de refrigeração. A obtenção

destes valores é realizada a partir de uma maximização e minimização tanto do

COP

sistema

quanto da

EFAad

, separadamente, variando as variáveis de otimização (H

, N

e L

Cabe salientar também a importância do segundo termo do lado direito nas Eqs. (5.9) e

(5.10). A inserção deste número é feita para (i) evitar os problemas citados anteriormente a

respeito do PEC Λ, e (ii) impedir que a Eq. (5.10) forneça um valor igual a zero, levando o

valor de PEC K para o infinito.

Para ilustrar aplicação do PEC K, é utilizado o mesmo exemplo descrito

anteriormente. Para aquele caso, tinha-se, para um evaporador

A, COP

sistema

igual a 3 e

EFAad

igual a 1 e, para o evaporador B, COP

sistema

igual a 1 e

EFAad

igual a 1/3.

Realizando a verificação dos valores máximo e mínimo de PEC K para este sistema

hipotético, tem-se, por exemplo:

min,sistema

COP = 0,5,

max,sistema

COP = 5,

(

)

min

EFAad

M = 0,1 e

(

)

max

EFAad

= 1

. Aplicando estes valores à Eq. (5.8), obtém-se,

• PEC K(COP) = 0,78 para o evaporador A;

122 Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC)

• PEC K(COP) = 0,75 para o evaporador B.

Nota-se aqui que, pelo fato de o evaporador

A exibir um COP mais próximo do

máximo e a sua massa não se encontrar tão distante do mínimo, este trocador fornece um PEC

K com maior valor. Pode-se dizer então que este PEC fornece uma análise mais realista, já

que se deseja um máximo COP e uma mínima massa, desde que estes parâmetros não estejam

tão longe de seus pontos de ótimo individuais.

A metodologia utilizada no PEC K não se restringe apenas à Eq. (5.8), isto é, não é

aplicada apenas para a relação entre o COP e a massa do evaporador. Essa metodologia

aplica-se a quaisquer parâmetros de interesse dos componentes individuais ou do próprio

sistema de refrigeração, desde que o parâmetro a ser maximizado seja colocado no numerador

e aquele a ser minimizado, no denominador. Por exemplo, ao aplicar esta metodologia aos

PEC Λ das Eqs. (5.1) e (5.2), obtém-se,

=ΘΚ )(

(5.11)

=ΩΚ )(

(5.12)

onde,

minmax

min#

Θ−Θ

−

=Θ

(5.13)

minmax

min#

Ω−Ω

−

=Ω

(5.14)

5.3. Método de Otimização

A fim de avaliar os PEC apresentados acima para as várias configurações possíveis do

EFA no sistema de refrigeração, foi necessário utilizar um código computacional dedicado a

análises de otimização. A metodologia aplicada aqui se baseia no trabalho de Gomes (2006),

que uma análise comparativa de compressores aplicados a refrigeração doméstica. Como no

trabalho de Gomes, foi utilizado o código de otimização modeFRONTIER 3.1.0 (

Multi-

Objective Optimization and Design Environment

) (Esteco, 2005), o qual foi acoplado ao

Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC) 123

código de simulação do sistema de refrigeração, com o objetivo de obter os valores ótimos

dos PEC descritos.

Em geral, os algoritmos de otimização visam a maximização ou a minimização de uma

função objetivo simples (única) ou composta (múltipla), satisfazendo as restrições impostas

pelo problema e que representam as condições do modelo. Antes de escolher um algoritmo de

otimização, é necessário caracterizar o problema a ser resolvido através dos seguintes

parâmetros (Gomes, 2006):

Função objetivo: representa a grandeza a ser otimizada (valor mínimo ou

máximo) e será função das variáveis de projeto escolhidas. A função objetivo é

dita simples quando se tem apenas um objetivo ou composta (ou multi-critério,

multi-objetivo) quando se deseja otimizar vários objetivos de uma só vez;

ii.

Variáveis de projeto: são os parâmetros do problema que podem ser alterados

para otimizar a função objetivo, como, por exemplo, as características geométricas

do evaporador que definem o valor do COP do sistema de refrigeração.

iii.

Restrições: são as limitações impostas para se obter a solução otimizada. Por

exemplo, a escolha de uma determinada faixa de temperatura dos compartimentos

refrigerados ou de COP. Neste caso, ao se desejar otimizar um PEC qualquer para

uma faixa de -16°C <

< - 20°C para o congelador e 4°C < T

< 6°C para o

refrigerador, encontra-se dois limites laterais para duas restrições distintas. A

otimização acima ou abaixo destas faixas é imposta por uma restrição de

desigualdade. Por outro lado, a otimização para uma temperatura específica (por

exemplo,

= -18°C e T

= 5°C) é alcançada através de uma restrição de

igualdade. As restrições podem ser ainda do tipo global ou local, ou seja, podem

ser definidas para uma região específica do domínio de interesse (local) ou para

todo o domínio (global).

iv.

Domínio: são os limites mínimos e máximos impostos para as variáveis de projeto

a partir dos quais se deseja otimizar a função objetivo. Dentro do domínio existem

regiões que podem não ser contempladas pelas restrições, denominadas inviáveis.

A região do domínio onde as restrições são contempladas e em que, portanto, a

solução é possível, é denominada domínio viável.

Com base nas definições acima, é possível definir as funções objetivo como sendo os

PEC descritos anteriormente. Os PEC propostos neste trabalho visam na sua grande maioria

maximizar o desempenho do sistema e minimizar a massa (isto é, o custo) de um de seus

124 Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC)

componentes. Pode-se dizer, então, que as análises têm por objetivo fornecer o melhor

sistema do ponto de vista de desempenho, com um mínimo custo, para um determinado

conjunto de condições de contorno do sistema de refrigeração, de seus componentes e suas

respectivas características geométricas.

Entretanto, é importante ressaltar que os resultados são influenciados diretamente pela

precisão das metodologias de simulação, não sendo, a rigor, exatos. Embora mesmo sem uma

precisão adequada do ponto de vista absoluto, os resultados de otimização podem, ainda

assim, ser úteis, já que podem mostrar a tendência do comportamento do sistema ótimo.

Como os PEC dependem de uma gama de parâmetros, tanto termodinâmicos quanto

geométricos, é interessante classificá-los com base na seguinte relação funcional,

PEC =

f (características geométricas, condições do sistema, fluido refrigerante,

características físicas e termodinâmicas dos componentes)

Alguns dos parâmetros da relação acima são variáveis de projeto e outros são

restrições. As variáveis de projeto podem ser identificadas por:

Características geométricas do evaporador: dimensão de saída (H

), número

de aletas (

) e comprimento (L);

ii.

Características construtivas dos componentes: três tipos de compressores

(EMBRACO, modelos:

Comp

, Comp

e Comp

e dois tipos de ventiladores

(Original e DC24V).

Já as restrições foram tidas como sendo:

Condições do sistema: temperatura dos compartimentos refrigerados -

congelador igual a -18°C e refrigerador igual a 5°C, temperatura ambiente

igual a 32°C, sub-resfriamento no condensador de 2°C e superaquecimento no

evaporador de 1°C;

ii.

Fluido refrigerante: R134a;

iii.

Área frontal da entrada do evaporador: H

= 59,5 mm e W = 307 mm (ver

Figura 3.5).

O domínio de soluções é definido por todos os resultados obtidos com a variação dos

parâmetros projeto. Assim, para a variação dos três compressores, dois ventiladores e a

variação das características geométricas do evaporador, qualquer valor de PEC alcançado é

válido.

Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC) 125

Após a caracterização do problema a ser resolvido, é necessário definir o algoritmo de

otimização a ser empregado. A seguir, será apresentada uma breve descrição do algoritmo

aqui utilizado.

O código modeFRONTIER fornece uma variedade de algoritmos de otimização

disponíveis na literatura. Segundo Gomes (2006), a busca por um algoritmo de otimização

deve ser baseada em duas características básicas, descritas graficamente na Figura 5.1: i)

robustez (capacidade de encontrar o ponto de ótimo global) e ii) precisão (capacidade de

encontrar o verdadeiro valor do ponto de ótimo). Outro fator, tão importante quanto os citados

acima, é o tempo de convergência do algoritmo de otimização. Este deve ser o mais reduzido

possível para que, quando associado ao tempo computacional inerente ao código de simulação

do sistema de refrigeração, não torne proibitivo o custo computacional da otimização.

Máximo Local

NÃO ROBUSTO

f(x)

mín

máx

Máximo Global

ROBUSTO

Ponto Encontrado

f(x)

mín

máx

Máximo REA

Pouco

PRECISO

Pontos Encontrados:

(a) Robustez. (b) Precisão.

Figura 5.1 – Características de um algoritmo de otimização (Gomes, 2006).

Analisando as três características acima citadas e a descrição dos algoritmos existentes

no código modeFRONTIER (Gomes, 2006), optou-se no presente trabalho pelo uso do

Algoritmo Genético. Este algoritmo tem a vantagem de ser bem mais robusto que os demais

disponíveis, porém, com a desvantagem de exigir um tempo computacional mais elevado.

Como o tempo de simulação do código do sistema de refrigeração é extremamente baixo (em

torno de 12 segundos por caso), a utilização do algoritmo genético não acarretaria tempos

computacionais proibitivos. Outro problema decorrente do uso do algoritmo genético seria a

obtenção de convergência para a grande variação dos dados de entrada gerados por este

algoritmo. Como o algoritmo genético faz variações aleatórias das variáveis de entrada, o

código de simulação do sistema deve ser robusto o suficiente para produzir resultados

convergidos para todas as combinações dos parâmetros de entrada. Tal robustez foi verificada

após a realização de alguns testes, permitindo a utilização do algoritmo genético.

126 Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC)

A metodologia de otimização utilizada pelo algoritmo genético é baseada no processo

de seleção natural das espécies. Com base na Figura 5.2, os passos do algoritmo genético

podem ser colocados da seguinte forma geral (Gomes, 2006):

Uma população inicial é criada (indivíduos A, B, C, D e E);

ii.

Os indivíduos da família inicial são avaliados quanto à aptidão, ou seja, aqueles

que apresentam respostas à função objetiva (

z(A), z(B), z(C), z(D) e z(E)) mais

adequadas com relação ao objetivo da otimização, são selecionados como os

mais aptos. No exemplo, estes são os indivíduos com os maiores valores de

z(h);

iii.

Os operadores genéticos são aplicados na nova família (geração de G por cross-

over

e F por mutação);

iv.

A nova família é avaliada quanto à aptidão e, em seguida, o mesmo

procedimento de (iii) é repetido até determinar os pontos mais próximos da

região de ótimo.

Família Inicial

ABCDE

Mais Aptos

Família

DEFG

Mais Aptos

Família

EGHI

Mais Aptos

Elite

Família

HILJ

Operadores

Genéticos

Algoritmo Genético

Variáveis de Projeto:

h = [x,y]

Função Objetivo:

z (h)

Objetivo:

Maximizar z

Exemplo Problema de Otimização

Cross-over

Mutação

Cross-over

Mutação

Cross-over

Mutação

Figura 5.2 – Exemplo de utilização do algoritmo genético (Gomes, 2006).

O número de indivíduos que deve permanecer nas famílias geradas ao longo do

processo é um parâmetro definido pelo usuário. Por outro lado, indivíduos gerados que sejam

duplicados dentro de cada família são eliminados.

A convergência do processo de otimização pode se basear em dois critérios: 1) nível

de variação da função resposta ou 2) número máximo de gerações. O programa

modeFRONTIER disponibiliza apenas a segunda opção. Neste caso é necessário testar o

Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC) 127

número razoável de gerações a ser configurada, uma vez que a configuração de um número

reduzido pode levar a uma falsa convergência. Por outro lado, um número elevado pode

acarretar em um processo com um alto tempo computacional.

No presente trabalho foram realizados testes variando o número de gerações entre 40 e

60. Após a análise dos dados, nenhuma modificação no resultado foi verificada. Logo, foi

concluído que 40 gerações era um número suficiente para se obter a convergência do ótimo

real.

5.4. Implementação Computacional

5.4.1. Aspectos gerais

O sistema de equações dos modelos matemáticos do sistema de refrigeração é

composto por equações algébricas não-lineares. No presente trabalho, foi utilizado o

software

EES -

Engineering Equation Solver (Klein, 2007) para resolver tais equações a partir do

Método de Newton-Raphson. Este código também fornece funções internas que permitem

calcular as propriedades termofísicas de fluidos e sólidos, construir gráficos etc. Entretanto,

no que diz respeito ao procedimento de otimização, este código não fornece subrotinas de

otimização muito robustas, sendo necessário então a utilização do código modeFRONTIER

nas análises de otimização.

5.4.2. Acoplamento entre os códigos EES e modeFRONTIER

Um acoplamento entre o EES e o código de otimização modeFRONTIER teve de ser

realizado, já que as sub-rotinas de otimização disponíveis no primeiro não eram tão robustas e

precisas quanto aquelas implementadas no segundo, muito mais específico para este fim. A

fim de contornar alguns problemas computacionais, um código escrito na linguagem

FORTRAN também teve de ser implementado, cuja função era realizar a leitura e escrita dos

dados de entrada e saída do EES, para que, na seqüência, fossem utilizados pelo

modeFRONTIER.

À medida que o processo de otimização evolui, o algoritmo genético interage com as

variáveis de projeto, na busca de um ponto de ótimo para um determinado PEC. Com isso, as

variáveis de projeto são alteradas dentro das faixas impostas. A Figura 5.3 mostra o

fluxograma que representa a interação entre os códigos nas plataformas EES, FORTRAN e

modeFRONTIER, assim como a metodologia de otimização aplicada.

128 Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC)

O tempo computacional médio para a obtenção de cada ponto de otimização foi de

aproximadamente duas horas para as simulações apenas com variações geométricas do

evaporador. Para as simulações variando também o compressor e o ventilador, o tempo foi de

aproximadamente 4 horas (Intel Core 2 1,8 GHz).

Algoritmo de Otimização

(modeFRONTIER)

Mudança nas Variáveis

de Projeto

Variáveis de Projeto:

i. Dados Geométricos do Evaporador

ii. Tipo de Compressor

iii. Tipo de Ventilador

Leitura dos Dados de Entrada

e Escrita no Arquivo

de Entrada do EES

(Fortran)

Metodologia Numérica

de Simulação do Sistema

de Refrigeração

(EES)

Leitura dos Dados de Saída (PEC)

e Escrita no Arquivo

de Entrada do modeFRONTIER

(Fortran)

Atende a Condição

de Ótimo?

Não

Determinado o Sistema Otimizado

Sim

Valores Iniciais para as

Variáveis de Projeto

Figura 5.3 – Fluxograma da metodologia de otimização e acoplamento entre os códigos do EES, FORTRAN e

modeFRONTIER.

5.4.3. Interface Gráfica do código de Simulação

Com a finalidade de facilitar a utilização por outros usuários e a visualização da

configuração ótima dos tubos na aleta do EFA, uma interface gráfica foi desenvolvida. A

interface foi construída na plataforma EES, que possibilita de maneira fácil a entrada dos

dados do código de simulação do sistema de refrigeração e a visualização dos resultados e do

Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC) 129

gráfico que mostra o posicionamento dos tubos na aleta. A Figura 5.4 ilustra a visualização da

interface gráfica criada.

Figura 5.4 – Interface gráfica de visualização da configuração do EFA e resultados do código de simulação do

sistema de refrigeração.

Através da implementação computacional do algoritmo da lei de formação de tubos

exposto no item 3.2.1. os valores das posições dos tubos na aleta são fornecidos. Os tubos são

então desenhados nas respectivas posições. Além da visualização da configuração do

evaporador, são fornecidos também os valores do COP, da potência consumida, da vazão total

de ar e da temperatura de cada compartimento refrigerado.

6. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Tendo sido descritas as metodologias empregadas para a simulação do modelo do

EFA, do sistema de refrigeração e o procedimento de otimização, o presente capítulo

apresenta os principais resultados das análises, validação e otimização dos modelos de

simulação.

Primeiramente são apresentados os resultados de avaliação dos EFA através do

modelo matemático desenvolvido, a fim de estudar o comportamento do evaporador

isoladamente. Em seguida, são mostrados os resultados de validação experimental da

metodologia de simulação numérica do sistema de refrigeração. Depois de verificada a

qualidade dos resultados, são discutidos os resultados das configurações ótimas do EFA

acoplado ao sistema de refrigeração, obtidas da metodologia de otimização. Os resultados de

otimização são apresentados começando pelas funções de PEC de níveis mais inferiores (que

avaliam apenas os componentes individualmente) avançando até as mais abrangentes (que

tratam do refrigerador como um todo). Na seqüência, são apresentadas também análises de

sensibilidade do comportamento do custo em função da modificação dos componentes do

sistema de refrigeração.

6.1. Avaliação do Desempenho dos EFA

6.1.1. Potência de bombeamento em função da transferência de calor

A relação de dependência entre a taxa de transferência de calor (capacidade de

refrigeração) e a potência de bombeamento do ar pelo ventilador é uma das mais importantes

variáveis envolvidas no projeto de refrigeradores

no-frost. Desta forma, a escolha de uma

configuração de evaporador para uma determinada aplicação passa pela avaliação do

comportamento destas grandezas em função da vazão de ar e das características geométricas

do evaporador para uma dada condição de operação (temperaturas internas e UA dos

compartimentos, temperatura do ambiente externo).

Ao analisar

isoladamente o evaporador, é natural que seja escolhida uma configuração

que apresente a melhor relação custo-benefício, ou seja, a mais baixa potência de

bombeamento para uma dada capacidade de refrigeração. A ligação entre estes dois

parâmetros é feita por intermédio da vazão de ar, conforme ilustra a Figura 6.1. Para uma

132 Resultados e Discussões

dada configuração geométrica do trocador de calor, a capacidade de refrigeração estipulada no

projeto será alcançada com um determinado fluxo de ar. Este, por sua vez, produz uma queda

de pressão ao longo do trocador, cuja potência de bombeamento associada é dada por:

PVW

Δ=

(6.1)

Escolha do valor de

capacidade

Calculo da vazão para

a capacidade dada

Calculo da queda

de pressão para

a vazão calculada

Calculo da potência

de bombeamento

para a vazão e

queda de pressão

calculadas

Determinação da faixa

de capacidade de

interesse

Figura 6.1 – Procedimento utilizado para obtenção de curvas de potência de bombeamento em função da

capacidade de refrigeração para trocadores de calor.

Utilizando a metodologia de cálculo da transferência de calor e da queda de pressão

apresentada no Capítulo 3, é possível traçar o comportamento da potência de bombeamento

em função da capacidade de refrigeração para os EFA (Figura 6.2). Conforme observado, a

potência de bombeamento aumenta exponencialmente com a capacidade, em função de dois

efeitos principais: (i) a redução da área total de transferência de calor (tubos mais aletas) do

lado do ar e (ii) a redução da seção de passagem devido à geometria dos EFA (1/2 e 1/5). O

segundo efeito demonstra maior importância do que o primeiro, em virtude do aumento da

queda de pressão com o quadrado da velocidade, que aumenta linearmente com a distância. O

primeiro efeito tem impacto mais significativo sobre a transferência de calor (e,

conseqüentemente, sobre a capacidade de refrigeração), entretanto, sua influência é

potencializada pelo segundo.

Resultados e Discussões 133

60 90 120 150

acidade

[

]

Potência de Bombeamento [W]

EFA Reto 60EFA Reto 60

EFA Reto 30EFA Reto 30

EFA 1/2 60EFA 1/2 60

EFA 1/2 30EFA 1/2 30

EFA 1/5 60EFA 1/5 60

EFA 1/5 30EFA 1/5 30

Figura 6.2 – Potência de bombeamento em função da capacidade para os EFA.

A análise comparativa apresentada acima se restringiu à variação da seção transversal

(aceleração do escoamento) e do número de aletas. Entretanto, através do modelo

computacional do trocador de calor, é possível avaliar o efeito de outros parâmetros

geométricos pouco investigados durante os ensaios experimentais dos protótipos, como, por

exemplo, o comprimento do evaporador. A Figura 6.3 apresenta uma avaliação dos efeitos da

redução da seção transversal e do comprimento do evaporador, mantendo fixo o espaçamento

entre as aletas. Na configuração

Mini, o comprimento do evaporador é de 10 cm, ou seja, 9,2

cm mais curto que os protótipos EFA avaliados experimentalmente.

Como pode ser verificado, o comportamento é semelhante ao da Figura 6.2, onde o

EFA Reto 60 aletas ainda fornece uma menor potência de bombeamento em relação a todos

os outros trocadores analisados. Entretanto, em comparação com o trocador

Mini Reto 60

aletas, a diferença entre as potências de bombeamento destes trocadores é bastante pequena,

principalmente para baixas capacidades de refrigeração. Tal comportamento, também

observado na Figura 6.2, indica que para baixas capacidades (onde menores valores de vazão

são necessários) os trocadores de calor do tipo EFA e Mini podem ser alternativas viáveis, já

que representam uma redução significativa (até 50%) do volume de material do trocador.

134 Resultados e Discussões

60 90 120 150

acidade

[

]

Potência de Bombeamento [W]

EFA Reto 60EFA Reto 60

EFA Reto Mini 60EFA Reto Mini 60

EFA 1/2 60EFA 1/2 60

EFA 1/2 Mini 60EFA 1/2 Mini 60

EFA 1/5 60EFA 1/5 60

EFA 1/5 Mini 60EFA 1/5 Mini 60

Figura 6.3 – Potência de bombeamento em função da capacidade para os EFA e Mini.

Um comentário adicional pode ser efetuado a respeito da utilização de outros critérios

de avaliação de desempenho

individuais no contexto do presente trabalho. Alguns autores

(Kays e London, 1984; Pira et al., 2000; Shah e Sekulic, 2003; Webb e Kim, 2005) apontam a

utilização do parâmetro

j/f como um critério de avaliação de desempenho (PEC) de trocadores

de calor. Conforme descrito na Seção 5.2.2. , dependendo dos tipos de restrição impostas,

alguns PEC não avaliam de maneira completa o desempenho destes componentes, por

considerarem apenas a razão e não as magnitudes dos parâmetros envolvidos em sua

definição.

Para se utilizar o PEC

j/f de uma forma adequada, é necessário que a capacidade de

refrigeração e a queda de pressão sejam mantidas fixas (restrições). Desse modo, é possível

encontrar, por exemplo, o tipo de trocador (ou a configuração de aletas) que fornece uma

mínima área frontal, ou seja, um trocador mais compacto. No presente trabalho, o PEC

j/f não

é utilizado no contexto da análise

isolada porque as restrições impostas neste nível da

avaliação são de natureza geométrica. Assim, os valores de

j/f resultantes podem conduzir a

uma falsa interpretação do que se espera de uma configuração ótima para uma dada aplicação.

Por exemplo, se para o mesmo número de Reynolds o trocador de calor

A tem j

= 1 e f

0,5

e o trocador B tem j

= 0,12 e f

= 0,05, obtém-se para o trocador A um PEC (j/f)

= 2 e

para o trocador

B temos um PEC (j/f)

= 2,4. Nesse caso, poder-se-ia afirmar que o trocador

Resultados e Discussões 135

de calor

B possui um desempenho superior ao trocador A, já que o seu PEC j/f é superior.

Entretanto, como o trocador

B exibiu um fator j de Colburn muito baixo, este necessitaria de

uma vazão extremamente elevada (e conseqüentemente uma alta queda de pressão e uma alta

potência de bombeamento) para fornecer a mesma troca de calor que o trocador

A forneceria

com uma vazão bem inferior. Uma comparação entre os critérios de

j/f e de potência de

bombeamento em função da capacidade é apresentada na Figura 6.4 para duas configurações

bastante distintas (EFA Reto 60 e EFA

Mini 46), onde se percebe a limitação do primeiro

critério em descrever adequadamente a relação custo-benefício de interesse para um

evaporador de refrigeração doméstica.

60 90 120 150

0,4

0,7

1,3

acidade

[

]

j/f

EFA Reto 60EFA Reto 60

EFA Mini 46EFA Mini 46

60 90 120 150

acidade

[

]

Potência de Bombeamento [W]

EFA Reto 60EFA Reto 60

EFA Mini 46EFA Mini 46

(a) (b)

Figura 6.4 – Resultados obtidos utilizando (a) o PEC j/f e a (b) potência de bombeamento em função da

capacidade de refrigeração.

6.1.2. Efeito do by-pass sobre a transferência de calor e a queda de pressão

Conforme evidenciado no Capítulo 3, a presença dos canais de by-pass nos

evaporadores aqui estudados exerce uma influência negativa em relação à transferência de

calor por fazer com que apenas uma fração da vazão total troque calor diretamente com feixe

de tubos. A fração da vazão que passa pelo

by-pass tem sua troca térmica reduzida em

conseqüência de um menor grau de mistura do fluido e de uma diferença de temperatura

reduzida entre o ar e a superfície do evaporador nesta região. Tal efeito, conseqüentemente,

contribui para uma redução da efetividade do trocador de calor.

A Figura 6.5 mostra as previsões do modelo para o comportamento da fração de

by-

pass

(definida como a razão entre a vazão mássica pelo by-pass e a vazão mássica total) em

função da vazão total para as configurações de EFA testadas experimentalmente. Como pode

ser visto, frações de

by-pass significativas (da ordem de 50 a 70%) são observadas nos

136 Resultados e Discussões

trocadores testados. A fração de by-pass associada com os EFA 1/5 são as maiores, o que

pode vir a explicar o coeficiente de transferência de calor mais baixo em comparação ao

protótipo EFA 1/2 60 (ver Figura 3.29). As frações de by-pass dos EFA Reto 60 e EFA Reto

30 são maiores do que as dos protótipos EFA 1/2 30 e EFA 1/2 60, possivelmente porque a

largura dos canais de

by-pass é maior nos EFA Retos (8 mm) do que nos EFA 1/2 (4,5 mm).

30 50 70 90 110

Vazão

[

]

Fração pelo By-pass [%]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #7 - 1/5 60Evap. #7 - 1/5 60

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Figura 6.5 – Comportamento da fração de by-pass obtida pelo modelo para os EFA.

Dadas as altas frações de by-pass obtidas com o modelo para as geometrias dos

protótipos de EFA testados, uma análise de sensibilidade com relação ao canal do

by-pass foi

realizada com o objetivo de se verificar o comportamento da transferência de calor (Figura

6.6) e da queda de pressão (Figura 6.7) em função da variação da dimensão do

by-pass (H

)

para uma mesma vazão (51 m

/h). As dimensões originais dos protótipos são mostradas nas

figuras.

Resultados e Discussões 137

0,002 0,004 0,006 0,008 0,01

120

150

180

Dimensão do By-pass, H

[m]

Transferência de Calor [W]

EFA Reto 60EFA Reto 60

EFA Reto 30EFA Reto 30

EFA 1/2 60EFA 1/2 60

EFA 1/2 30EFA 1/2 30

EFA 1/5 60EFA 1/5 60

EFA 1/5 30EFA 1/5 30

Dimensão original dos protótipos

Figura 6.6 – Transferência de calor em função da variação da dimensão do by-pass, para vazão de 51 m

/h.

0,002 0,004 0,006 0,008 0,01

Dimensão do By-pass, H

[m]

Queda de Pressão [Pa]

EFA Reto 60EFA Reto 60

EFA Reto 30EFA Reto 30

EFA 1/2 60EFA 1/2 60

EFA 1/2 30EFA 1/2 30

EFA 1/5 60EFA 1/5 60

EFA 1/5 30EFA 1/5 30

Dimensão original dos protótipos

Figura 6.7 – Queda de pressão em função da variação da dimensão do by-pass, para vazão de 51 m

/h.

Como pode ser visto nas figuras acima, tanto a transferência de calor quanto a queda

de pressão aumentam com a redução da dimensão do

by-pass para todos os evaporadores em

138 Resultados e Discussões

toda faixa de vazão. Porém, o aumento da queda de pressão é bem mais significativo para

valores menores de

em relação aos trocadores com menor dimensão da seção transversal

de saída (EFA 1/2 e 1/5).

Tendo verificado o comportamento da transferência de calor e da queda de pressão em

função da dimensão do

by-pass para uma vazão prescrita, surge a necessidade de se avaliar

também a variação da potência de bombeamento em função da dimensão do

by-pass para uma

capacidade fixa (100 W). Observa-se na Figura 6.8 que as potências de bombeamento para os

EFA Retos 60 e 30 aletas se mantêm aproximadamente constantes e abaixo daquelas dos

outros evaporadores avaliados, para toda faixa de dimensão do

by-pass. Outra comparação

interessante pode ser feita entre os EFA 1/2 30 e 60 aletas, que apresentam tendências

distintas em função do aumento da dimensão do canal do

by-pass. Enquanto o trocador com

maior área externa tem sua potência de bombeamento reduzida devido a uma diminuição da

queda de pressão, o EFA 1/2 30 aletas experimenta um aumento da potência de bombeamento

em virtude de um aumento excessivo da vazão de ar requerida para produzir uma capacidade

de 100 W. Uma tendência semelhante, porém mais acentuada, pode ser observada com

relação aos EFA 1/5 30 e 60 aletas.

0,002 0,004 0,006 0,008 0,01

Dimensão do By-pass, H

[m]

Potência de Bombeamento [W]

EFA Reto 60EFA Reto 60

EFA Reto 30EFA Reto 30

EFA 1/2 60EFA 1/2 60

EFA 1/2 30EFA 1/2 30

EFA 1/5 60EFA 1/5 60

EFA 1/5 30EFA 1/5 30

Dimensão original dos protótipos

Figura 6.8 – Potência de bombeamento em função da variação da dimensão do by-pass, para uma capacidade de

100 W.

Resultados e Discussões 139

Ao comparar o EFA 1/2 60 aletas e o EFA Reto 30 aletas para a capacidade

intermediária de 100 W, é possível identificar uma vantagem do primeiro em relação ao

segundo no que diz respeito ao volume de material do trocador. O EFA 1/2 60 apresenta uma

potência de bombeamento apenas 0,5 W maior com um volume de material em torno de 20%

menor do que o EFA Reto 30. Este último resultado reflete aqueles mostrados acima nas

Figura 6.2 e Figura 6.3 e é, de certo modo, válido para qualquer valor da dimensão do

by-

pass

6.1.3. Conclusões Parciais

Com base nas avaliações do trocador isolado do sistema realizadas até o momento,

considerando a potência de bombeamento para uma dada capacidade de refrigeração o critério

de avaliação de desempenho mais adequado, chega-se à conclusão de que a configuração EFA

Reto 60 aletas é a melhor de todas as configurações testadas.

Isso não significa, entretanto, que as demais configurações sejam inviáveis. Para

baixas capacidades, ou quando o volume de material for um parâmetro decisivo,

configurações com alta densidade de aletas, porém de volume de material reduzido (como o

EFA 1/2 60 ou

Mini 60), podem ser mais vantajosas do que a EFA Reto 60 ou a Original, já

que apresentam potências de bombeamento, para uma dada capacidade, bastante próximas da

configuração ótima.

Outro ponto interessante avaliado na seção anterior é o comportamento dos EFA com

a variação da dimensão do

by-pass. Pôde-se verificar que a alteração deste parâmetro exerce

um impacto significativo sobre a transferência de calor e a queda de pressão, principalmente

para os EFA 1/2 e 1/5.

Visando a realização de análises de otimização mais abrangentes, a seguir, são

apresentados os resultados de validação do modelo do EFA acoplado ao código de simulação

do sistema de refrigeração. Desse modo, confere-se um grau de confiabilidade aos estudos de

otimização do refrigerador considerando a interação entre todos os componentes

simultaneamente, a serem apresentados na Seção 6.3.

140 Resultados e Discussões

6.2. Validação do Modelo do Sistema de Refrigeração

6.2.1. Trabalho experimental

Conforme descrito anteriormente, o refrigerador em estudo é do tipo no-frost com dois

compartimentos, somando um total de 460 litros de volume interno. No produto original, a

capacidade de refrigeração é controlada por um termostato eletrônico, que liga e desliga o

compressor com base na temperatura do congelador. A temperatura do refrigerador, por sua

vez, é controlada por um

damper termomecânico, que varia a vazão de ar insuflada neste

compartimento. O sistema de refrigeração original utiliza HFC-134a como fluido refrigerante,

com uma carga nominal de 130 gramas.

O refrigerador testado no presente trabalho sofreu algumas alterações antes de se

iniciar os testes, já que o produto original foi projetado para funcionar em regime transiente, e

o objetivo aqui era avaliar seu comportamento em regime permanente. As seguintes alterações

foram realizadas:

O termostato que controlava o compressor foi desconectado. Assim, o

compressor podia ser controlado externamente e mantido sempre ligado,

independente das temperaturas dos compartimentos;

ii.

O damper foi fixado em sua abertura máxima. A função principal deste

dispositivo é o controle da temperatura do compartimento do refrigerador,

quando na presença de oscilações de carga térmica. Como em regime

permanente não há oscilações de carga térmica, a atuação do

damper é

desnecessária;

iii.

O Tubo de Aquecimento do Flange (TAF) foi eliminado. Assim, o

condensador foi conectado diretamente a uma válvula de agulha posicionada a

montante do tubo capilar. A principal finalidade do TAF é aquecer as paredes

do refrigerador de maneira a evitar a condensação de umidade externa

(“sudação”) sobre as superfícies externas do produto. Este aquecimento

poderia interferir na carga térmica estimada pelo modelo, já que a obtenção do

coeficiente global de transferência de calor do gabinete foi realizada com o

refrigerador desligado;

iv.

A carga de refrigerante, juntamente com a abertura da válvula de agulha na

entrada do tubo capilar, foram ajustadas de maneira a fornecer o sub-

resfriamento e o superaquecimento desejados, já que o modelo de simulação do

Resultados e Discussões 141

sistema (SUB-SUP) exige a imposição destes dois parâmetros. Uma descrição

mais detalhada sobre a instalação da válvula auxiliar e dos procedimentos de

carga é apresentada nos Apêndices VII e VIII, respectivamente.

Ambas as portas do refrigerador foram lacradas com cola de silicone, para

evitar a infiltração de umidade, já que se desejava realizar os testes de

validação sem a formação de gelo sobre o evaporador. Este mesmo

procedimento já tinha sido realizado nos testes de obtenção da condutância

térmica global do gabinete, não alterando assim o seu valor.

Os resultados da simulação numérica do sistema foram validados a partir da

comparação com dados de 8 ensaios experimentais realizados a uma temperatura ambiente

média de 32°C e temperaturas internas dos compartimentos variáveis (de -28 à -17°C para o

congelador e -11 a 9,2°C para o refrigerador). A carga de fluido refrigerante no sistema de

refrigeração (em torno de 130g) foi ajustada de forma a obter níveis de sub-resfriamento e

superaquecimento desejáveis, isto é, maiores que 1°C, já que valores abaixo deste dificultam a

sua medição, dada a incerteza experimental de ±0,2°C. Em todos os testes, o sub-resfriamento

e superaquecimento foram mantidos em torno de 3°C e 2°C, respectivamente.

As tabelas contendo os dados referentes aos testes de validação são apresentadas no

Apêndice IX. Para avaliação experimental dos parâmetros de interesse, o refrigerador foi

devidamente instrumentado com 48 pontos de medição de temperatura, dois pontos de

medição pressão absoluta e um ponto de medição pressão diferencial no compartimento do

evaporador. Maiores detalhes sobre a instrumentação do refrigerador são apresentados no

Apêndice VII. Depois de instrumentado, o refrigerador foi colocado em uma câmara de testes,

com temperatura e umidade controladas. A câmara de testes também dispunha de transdutores

de potência para as medições das potências das resistências elétricas, ventilador e compressor.

O sistema de aquisição de dados disponibilizado na câmara de testes foi utilizado na leitura

dos pontos de medição. Uma descrição mais detalhada da câmara e do procedimento de testes

é apresentada no Apêndice VIII.

Os ensaios experimentais do refrigerador foram realizados com três evaporadores

distintos: Original 52 aletas, EFA Reto 30 aletas e EFA 1/5 30 aletas. Para cada evaporador

foram feitos dois testes em regime permanente: i) para avaliação das temperaturas mínimas

atingidas nos compartimentos e ii) para temperaturas de projeto (-18°C no congelador e 5°C

no refrigerador).

142 Resultados e Discussões

6.2.2. Resultados

O coeficiente de performance (COP) experimental é definido a partir da seguinte

expressão,

exp,exp,

exp,

sistema

COP

−

(6.2)

onde as potências do compressor e do ventilador são medidas diretamente através dos

transdutores de potência. Para se determinar experimentalmente a capacidade de refrigeração,

efetua-se o seguinte balanço de energia no volume de controle mostrado na Figura 6.9

(Gonçalves et al., 2007),

)(

31expexp,

hhwQ

−=

(6.3)

Evaporador

Condensador

Compressor

Trocador de calor

tubo capilar -

linha de sucção

Tubo capilar

Volume de controle

exp

Figura 6.9 – Balanço de energia para obtenção da capacidade de refrigeração do sistema (Gonçalves et al.,

2007).

onde fluxo de massa de refrigerante experimental,

exp

, é obtido através da Eq. (4.5) com as

pressões de sucção e descarga medidas experimentalmente. Cabe salientar que a escolha do

volume de controle da figura contorna a dificuldade de se avaliar a capacidade de refrigeração

a partir de uma medição direta do efeito refrigerante específico, (

– h

). Tal medição é

complicada, já que a entalpia na entrada do evaporador depende de uma medição direta do

título de vapor naquele ponto.

A Tabela 6.1 apresenta os resultados de validação experimental dos principais

parâmetros do modelo. A partir da tabela, também foram elaborados gráficos para

Resultados e Discussões 143

visualização dos desvios associados aos parâmetros em cada teste, apresentados na Figura

6.10 e na Figura 6.11.

Tabela 6.1 – Resultados de validação do modelo matemático do sistema de refrigeração.

Teste

(Evaporador-

Condição)

Dados

congelador

[°C]

refrigerador

[°C]

compressor

[W]

sucção

[bar]

descarga

[bar]

COP

sistema

[-]

Modelo

-31,3 -12,5 93,3 0,60 10,9 1,06

Experimental

-28,3 -10,4 104,7 0,65 11,6 1,05

(Original 52-

Temp. Mínima)

Desvio -3,0°C -2,1°C -10,9% -8,6% -6,4% 1,4%

Modelo

-20,0 4,4 127,1 0,86 12,4 1,21

Experimental

-19,8 5,2 135,6 0,94 13,4 1,25

(Original 52-

Temp. Projeto)

Desvio -0,2°C -0,8°C -6,3% -9,1% -7,0% -3,4%

Modelo

-19,7 4,9 128,8 0,87 12,6 1,20

Experimental

-19,3 5,6 141,5 1,0 14,5 1,19

(Original 52-

Temp. Projeto)

Desvio -0,4°C -0,7°C -9,0% -12,8% -13,0% 0,8%

Modelo

-19,9 4,3 127,5 0,86 12,3 1,20

Experimental

-20,9 3,9 137,5 0,95 13,2 1,22

(Original 52-

Temp. Projeto)

Desvio 1,0°C 0,4°C -7,2% -9,9% -6,8% -1,6%

Modelo

-30,0 -11,6 92,8 0,59 10,8 1,04

Experimental

-27 -11,4 109,0 0,70 12,0 0,98

(EFA Reto 30-

Temp. Mínima)

Desvio -3,0°C -0,2°C -14,9% -15,4% -9,8% 6,1%

Modelo

-19,1 3,6 123,0 0,83 12,2 1,17

Experimental

-20,3 4,7 133,1 0,92 13,3 1,19

(EFA Reto 30-

Temp. Projeto)

Desvio 1,2°C -1,1°C -7,6% -10,7% -8,4% -1,7%

Modelo

-23,7 7,3 106,0 0,69 11,6 1,11

Experimental

-17,5 9,2 121,1 0,83 13,4 1,06

(EFA 1/5 30-

Temp. Mínima)

Desvio -6,2°C -1,9°C -12,5% -16,9% -13,3% 4,8%

Modelo

-28,7 -8,9 90,3 0,58 10,9 1,04

Experimental

-22,5 -5,8 105,0 0,68 12,3 0,98

(EFA 1/5 30 -

Temp. Projeto)

Desvio -6,2°C -3,1°C -14,0% -15,6% -11,5% 5,7%

144 Resultados e Discussões

-20

-15

-10

-5

Teste

Erro Relativo [%]

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8

compressor

sucção

descarga

COP

sistema

COP

sistema

Figura 6.10 – Comparação dos resultados experimentais com o modelo matemático para o COP

sistema

, pressões

de sucção e descarga e potência de compressão.

-9

-6

-3

Teste

Erro [°C]

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8

refrigerador

congelador

Figura 6.11 – Comparação dos resultados experimentais com o modelo matemático para as temperaturas dos

compartimentos.

Resultados e Discussões 145

De uma forma geral, os resultados do modelo conseguiram prever, com erros

aceitáveis, o comportamento das variáveis durante a operação em regime permanente. Na

Figura 6.10 pode-se verificar que o desvio das pressões de sucção e descarga e da potência do

compressor se mantiveram na faixa de +10% a -15%. O desvio da variável

COP

sistema

foi em

torno de ±5%. Já para as temperaturas do congelador e do refrigerador, a Figura 6.11 mostra

que 14 pontos (87,5%) ficaram dentro da faixa de erro de +1°C a – 3°C.

É importante esclarecer que os testes #7 e 8# (os quais apresentaram os piores

resultados) foram realizados após uma danificação do compartimento do evaporador. Esta

danificação foi devida à instalação inadequada de uma resistência de degelo posicionada logo

abaixo do evaporador. Conforme mencionado anteriormente, os protótipos de EFA foram

confeccionados sem as resistências de degelo. Porém, a adição destas resistências era

necessária no procedimento de validação para remover a formação de geada a partir da

umidade residual dentro do refrigerador. Logo, foi instalada uma resistência logo abaixo do

evaporador, com uma potência maior do que a convencional. Como o compartimento do

evaporador não foi projetado para suportar uma fonte de calor tão alta e concentrada naquela

região, houve um derretimento de algumas partes plásticas e das paredes do gabinete. Este

derretimento pode ter modificado a vazão de ar e a condutância global daquele compartimento

(

) devido tanto ao ressecamento dos materiais das paredes quanto aos reparos realizados

posteriormente. Esta danificação é considerada a causa mais provável para a grande diferença

entre os valores experimental e calculado da temperatura do compartimento do congelador

para os testes #7 e #8, já que todos os outros pontos se mantiveram na faixa entre +1°C e –

3°C.

No plano de trabalho original, pretendia-se, após os ensaios #7 e #8, realizar também

testes de validação com o EFA 1/2 30. Entretanto, após o incidente que acarretou a

danificação do gabinete, constatou-se que o modelo matemático do gabinete já não se

aplicava de maneira tão fidedigna ao produto danificado. Mesmo assim, os trocadores

testados até aquele momento foram tidos como suficientes para a validação do modelo

matemático, já que representavam valores extremos de seção transversal ao escoamento do ar

(EFA Reto e EFA1/5). Logo, supõe-se que o modelo matemático do sistema de refrigeração

seja válido para os outros EFA com valores intermediários de seção transversal.

6.2.3. Conclusões Parciais

Tendo avaliado os resultados dos ensaios de validação, é possível concluir que o

modelo matemático do sistema de refrigeração reproduz de maneira satisfatória os dados

146 Resultados e Discussões

obtidos experimentalmente. Uma parcela significativa dos pontos (94%) apresentou erros na

faixa de ±15% para a predição das pressões de sucção e descarga, potência do compressor e

COP

sistema

. A concordância entre os resultados do modelo e os dados experimentais para as

temperaturas dos compartimentos também foi satisfatória, pois 87,5% das medições das

temperaturas dos compartimentos do congelador e do refrigerador foram previstas com

desvios de +1°C a -3°C. Uma justificativa para esta dispersão na medição das temperaturas se

deve ao próprio procedimento para a determinação das mesmas. As temperaturas dos

compartimentos são avaliadas através da média das medições em pontos discretos dentro dos

compartimentos (6 pontos para o refrigerador e 3 para o congelador), sendo que alguns testes

apresentam estratificações de temperatura ao longo da altura do compartimento do

refrigerador de até 4°C.

6.3. Otimização e Utilização dos PEC

6.3.1. Restrições e limites das variáveis de otimização

Na realização das análises de otimização, tão importante quanto a escolha da função

objetivo, é a estipulação das restrições, ou seja, das variáveis que são mantidas fixas no

decorrer da análise. Nesta análise, as restrições foram escolhidas segundo condições

geralmente aplicadas em projeto de refrigeradores, e são mostradas na Tabela 6.2.

Como o objetivo da análise é a busca por uma configuração geométrica ótima de

evaporador, é preciso estabelecer os limites de variação das variáveis de otimização. A Tabela

6.3 ilustra a faixa de variação dos parâmetros geométricos do evaporador, que foram baseados

nos próprios valores limite dos protótipos testados, o que garante a validade do modelo de

simulação do EFA. A Tabela 6.4 apresenta os fabricantes e os modelos dos componentes do

sistema de refrigeração que também foram avaliados em alguns casos. O ventilador e

compressor foram selecionados pela capacidade/vazão semelhantes às exigidas para este

modelo de refrigerador.

Resultados e Discussões 147

Tabela 6.2 – Restrições utilizadas nos processos de otimização.

Parâmetro Restrição

Temperaturas dos compartimentos T

congelador

= -18,0

C e T

refrigerador

= 5,0

Temperatura ambiente T

ambiente

= 32,0

Sub-resfriamento e superaquecimento ΔT

sub

= 2°C e ΔT

sup

= 1°C.

Fluido refrigerante HFC-134a.

Características geométricas do evaporador

Área frontal = 0,0178 m

Diâmetro externo do tubo = 0,088 m

Espessura de aleta = 0,0025 m

Material: Alumínio.

Tabela 6.3 – Faixa de variação das características geométricas do evaporador.

Mínimo Parâmetro Máximo

11,9 H

[mm] 59,45

30 N

[aletas] 60

100 L [mm] 192

Tabela 6.4 – Modelos dos componentes utilizados no processo de otimização.

Componente (Fabricante) Modelo Capacidade/Vazão Nominal

Compressor (EMBRACO) Comp

(original), Comp

e Comp

180 – 230 W

Ventilador Original e DC 24V 17 – 51 m

Tendo definido as restrições e variáveis de otimização, é possível então realizar o

processo de otimização. Os resultados de otimização foram avaliados inicialmente para o

PEC

Λ(Θ)

com o intuito de verificar a diferença nos resultados em relação aos critérios de níveis

superiores:

COP, PEC Λ(Ω) e Λ(COP). Em seguida, foram feitas as análises do PEC K, a fim

de também avaliar as diferenças entre os resultados para o

PEC Λ e o PEC K. Nestes casos

iniciais, o compressor e ventilador foram mantidos fixos, ou seja, os mesmos modelos

utilizados no refrigerador original (compressor

Comp

e ventilador Original). O compressor e

o ventilador foram considerados variáveis de otimização (juntamente com as características

geométricas do evaporador) somente na última análise, isto é, a da função objetivo

PEC

K(COP)

148 Resultados e Discussões

6.3.2. Resultados do processo de Otimização

A Tabela 6.5 mostra os resultados de otimização obtidos para o PEC Λ(Θ). Esta

função objetivo visa a maximização da relação entre a transferência de calor e a potência de

bombeamento do ventilador.

Tabela 6.5 – Resultados de otimização para PEC Λ(Θ) e a respectiva configuração dos tubos sobre a aleta.

Parâmetro Resultado

Formato da aleta e posicionamento

dos tubos

PEC Λ(Θ) [-] 59,87

COP

sistema

[-] 0,95

[m] 0,0119

[aletas] 53

L [m] 0,100

[W] 99,6

ΔP

[Pa] 2,5

[W] 5,7

[W] 93,6

τ [-] 0,66

CE [kWh/mês] 45,1

[kg] 0,29

00,020,04 0,06

0,025

0,05

0,075

0,1

0,125

0,15

0,175

0,2

y [ m]

z [m]

O PEC Λ(Θ) leva em consideração o volume de material do evaporador em seu

denominador. Dessa forma, além da razão entre a capacidade de refrigeração e a potência de

bombeamento, a massa de alumínio do trocador também é utilizada como parâmetro na busca

pela configuração ótima. Conforme observado na análise do evaporador

isolado do sistema

(Seção 6.1), para uma capacidade de refrigeração intermediária (100 W), trocadores mais

compactos como o EFA 1/2 60 e o

Mini 60 apresentavam alguma vantagem com relação à

configuração EFA Reto 60. Tal vantagem existia justamente porque estes evaporadores eram

Resultados e Discussões 149

capazes de produzir a mesma capacidade de refrigeração com um volume de material

drasticamente reduzido e uma potência de bombeamento apenas ligeiramente maior.

No contexto do evaporador

acoplado ao sistema, esta tendência é corroborada pelo

PEC Λ(Θ) que, com a liberdade de variar simultaneamente os parâmetros geométricos (como

o comprimento do evaporador e a altura da seção transversal da saída) ― mas submetido às

restrições da Tabela 6.2 ― encontra um ponto de ótimo em que a capacidade de refrigeração é

intermediária e as dimensões do evaporador são reduzidas.

A Tabela 6.6 apresenta os resultados para o

PEC Λ(Ω), que visa a maximização da

relação entre a transferência de calor no evaporador e a potência consumida pelo ventilador e

pelo compressor.

Tabela 6.6 – Resultados de otimização para PEC Λ(Ω) e a respectiva configuração da aleta e dos tubos.

Parâmetro Resultado

Formato da aleta e posicionamento

dos tubos

PEC Λ(Ω) [-] 2,90

COP

sistema

[-] 0,85

[m] 0,0119

[aletas] 30

L [m] 0,115

[W] 77,9

ΔP

[Pa] 1,5

[W] 5,7

[W] 79,2

τ [-] 0,84

CE [kWh/mês] 48,8

[kg] 0,27

00,020,04 0,06

0,025

0,05

0,075

0,1

0,125

0,15

0,175

0,2

y [ m]

z [m]

Os resultados da Tabela 6.6 mostram que a otimização para o PEC Λ(Ω) resultou em

um trocador com um comprimento levemente maior (0,115m), mas com um menor número de

150 Resultados e Discussões

aletas em comparação com a otimização do PEC Λ(Θ). Estas modificações são um reflexo da

inclusão da potência do compressor na função objetivo. No

PEC Λ(Θ), o evaporador foi

balanceado entre uma mínima massa (fornecendo um comprimento reduzido) e uma máxima

transferência de calor (apresentado um número de aletas mais elevado). Sem sofrer influência

da potência de compressão, o

PEC Λ(Θ) ainda apresentou um maior valor desta variável. O

consumo de energia, entretanto, é maior no

PEC Λ(Ω) por causa da capacidade de

refrigeração mais baixa. Para uma mesma carga térmica e uma capacidade menor, a fração de

funcionamento,

τ, deve aumentar de modo a manter a condição de temperaturas dos

compartimentos. Mesmo assim, o

PEC Λ(Ω) exibiu uma redução na massa do trocador de

quase de 7,5% quando comparado ao valor obtido com o

PEC Λ(Θ).

Cabe salientar que as análises de otimização feitas para os

PEC Λ(Θ) e Λ(Ω) foram

obtidas simulando todo sistema de refrigeração (obedecendo as restrições da Tabela 6.2) e não

somente o evaporador e o compressor (como realizado por Pira

et al. (2000)), já que é

essencial que as aferições entre os vários PEC sejam feitas para uma mesma base de

comparação.

A Tabela 6.7 ilustra os resultados de otimização obtidos para o COP

sistema

. Observa-se

para este PEC um menor consumo de energia. Contudo, a configuração ótima de evaporador

possui um volume de material maior, já que a massa de material não é contemplada pela

função objetivo.

Resultados e Discussões 151

Tabela 6.7 – Resultados de otimização para COP

sistema

e a respectiva configuração da aleta e dos tubos.

Parâmetro Resultado

Formato da aleta e posicionamento

dos tubos

COP

sistema

[-] 1,03

[m] 0,043

[aletas] 60

L [m] 0,192

[W] 125,9

ΔP

[Pa] 2,0

[W] 5,7

[W] 110,8

τ [-] 0,52

CE [kWh/mês] 42,2

[kg] 0,92

00,020,04 0,06

0,025

0,05

0,075

0,1

0,125

0,15

0,175

0,2

y [ m]

z [m]

A Tabela 6.8 mostra os resultados para o PEC Λ(COP), que leva em consideração a

massa do trocador no processo otimização do refrigerador. Os dados da Tabela 6.8 mostram

que a consideração da massa do evaporador faz novamente o trocador apresentar um

comprimento de 0,100 m, como já tinha sido obtido nas análises

isoladas do componente.

Comparando os resultados obtidos com o PEC

COP

sistema

e com o PEC Λ(COP) percebe-se

uma redução em torno de 350% na massa do evaporador às custas de um aumento de 11% no

consumo de energia. É importante destacar que, mesmo para a área de troca bastante reduzida

obtida para o evaporador desta última análise, as restrições de temperaturas nos

compartimentos estão sendo atendidas, ou seja, mesmo com um tamanho menor, este trocador

apresenta uma área de troca suficiente para retirar a carga térmica requerida. Conforme

identificado anteriormente, para uma mesma carga térmica e com uma menor área de troca no

evaporador, o sistema tem que diminuir a temperatura de evaporação e aumentar o tempo de

compressor ligado (fração de funcionamento), aumentando assim o consumo de energia.

152 Resultados e Discussões

Entretanto, os resultados mostram que é possível obter uma acentuada redução da área de

troca sem um acréscimo muito elevado no consumo de energia.

Tabela 6.8 – Resultados de otimização para PEC Λ(COP) e a respectiva configuração da aleta e dos tubos.

Parâmetro Resultado

Formato da aleta e posicionamento

dos tubos

PEC Λ(COP

sistema

) [-]

3,41

COP

sistema

[-] 0,89

[m] 0,0129

[aletas] 30

L [m] 0,100

[W] 85,7

ΔP

[Pa] 1,9

[W] 5,7

[W] 84,4

τ [-] 0,77

CE [kWh/mês] 47,3

[kg] 0,26

00,020,04 0,0

0,025

0,05

0,075

0,1

0,125

0,15

0,175

0,2

[

]

z [m]

Tendo analisado os resultados dos PEC Λ e COP, a Tabela 6.9 apresenta os dados

referentes ao

PEC K(COP) que, além de avaliar somente a razão entre as variáveis que

compõem a função objetivo, prioriza o valor absoluto destas variáveis dentro das faixas de

valores possíveis, conforme descrito na Seção 5.2.2.

Quando comparado aos outros PEC, o

PEC K(COP) foi o que apresentou o melhor

balanceamento entre a massa do evaporador e o consumo de energia. Por exemplo, em

comparação com o

COP

sistema

, o PEC K(COP) exibiu um aumento de 7,5% no consumo de

energia, enquanto o

PEC Λ(COP) apresentou um acréscimo de 12%. Neste caso, o volume de

material do trocador calculado pelo

PEC K(COP) é apenas 7% maior do que aquele obtido

Resultados e Discussões 153

pelo

PEC Λ(COP). Assim, é possível concluir que o PEC K(COP) forneceu a análise de

otimização mais razoável entre todos os PEC avaliados aqui.

Tabela 6.9 – Resultados de otimização para PEC K(COP) e a respectiva configuração da aleta e dos tubos.

Parâmetro Resultado

Formato da aleta e posicionamento

dos tubos

PEC K(COP

sistema

) [-]

4,35

COP

sistema

[-] 0,94

[m] 0,0245

[aletas] 39

L [m] 0,100

[W] 97,3

ΔP

[Pa] 1,4

[W] 5,7

[W] 92,2

τ [-] 0,68

CE [kWh/mês] 45,4

[kg] 0,28

00,020,04 0,0

0,025

0,05

0,075

0,1

0,125

0,15

0,175

0,2

[

]

z [m]

Tendo verificado que o PEC K (COP) é a melhor função objetivo a ser empregada,

adicionam-se, a partir de agora, as variáveis de otimização secundárias, como diferentes tipos

de compressor e de ventilador, visando analisar as alterações no custo final do refrigerador em

função da alteração de vários componentes simultaneamente. Desta forma, a função objetivo a

ser avaliada leva em conta o

COP e o custo final do refrigerador, o qual é suposto depender,

para fins comparativos, apenas do custo do evaporador, do compressor e do ventilador. A

função objetivo envolvendo a variável custo foi formulada por meio da seguinte expressão,

COP

Custo

)(

=Κ

(6.4)

154 Resultados e Discussões

onde COP

foi definido na Eq. (5.9) e,

minmax

min#

−

(6.5)

onde

max

$C e

min

$C são, respectivamente, os valores máximo e mínimo da soma dos custos

individuais do evaporador, compressor e ventilador.

C$ foi definido como,

Custo

(6.6)

onde

Custo

é a soma dos custos em uma configuração contendo uma combinação qualquer

dos componentes e

Custo é um custo de referência, ou seja, da combinação EFA Reto 60 +

compressor (

Comp

) e ventilador (Original).

A Tabela 6.10 apresenta os resultados da otimização do custo do refrigerador

utilizando como função objetivo a Eq. (6.4). Os resultados desta análise mostram que é

possível obter uma redução no consumo de energia de 1 kWh/mês, com um custo 10% menor

do que a configuração original, apenas com a alteração do ventilador e um pequeno aumento

no número de aletas do evaporador. Nesta configuração, o número de aletas atingiu o limite

superior (60), provavelmente devido ao custo mais reduzido das aletas em relação ao custo

total. Assim, para fornecer uma maior troca de calor, que aumentasse também o

COP, um

maior número de aletas foi obtido em relação ao valor fornecido pelo

PEC K(COP).

Resultados e Discussões 155

Tabela 6.10 – Resultados de otimização para PEC K(Custo) e a respectiva configuração da aleta e dos tubos.

Parâmetro Resultado

Formato da aleta e posicionamento

dos tubos

[-] 1,77

C$ [-] 0,9

COP

sistema

[-] 0,98

[m] 0,0245

[aletas] 60

L [m] 0,100

[W] 106,7

ΔP

[Pa] 1,6

[W] 5,29

[W] 98,4

Compressor [Modelo] Comp

Ventilador [Modelo] DC 24V

τ [-] 0,60

CE [kWh/mês] 43,9

[kg] 0,32

00,020,04 0,06

0,025

0,05

0,075

0,1

0,125

0,15

0,175

0,2

[m]

z [m]

6.3.3. Conclusões Parciais

Das funções objetivo propostas no Capítulo 5. , o PEC K demonstrou grande potencial

para avaliar de maneira balanceada os fatores de interesse na otimização dos EFA no sistema

de refrigeração: melhor desempenho e menor volume de material. Logo, a partir deste PEC,

obteve-se a melhor configuração do EFA com os seguintes parâmetros geométricos:

0,0245 m,

= 39 aletas e L

= 0,100 m.

Como a implementação bem-sucedida do

PEC K, este foi utilizado então para a

obtenção da combinação ótima da geometria do evaporador para cada tipo de compressor e de

ventilador, levando em consideração seus custos. Desta análise, a melhor configuração obtida

foi:

= 0,0245 m, N

= 60 aletas, L

= 0,100 m, modelo do compressor = Comp

e modelo do

ventilador = DC 24V.

156 Resultados e Discussões

A análise de custos realizada no presente trabalho, entretanto, não tem como objetivo

central determinar a melhor configuração para o refrigerador em estudo, mas sim mostrar a

potencialidade da ferramenta de otimização aqui proposta para que, em desenvolvimentos

futuros, o usuário seja capaz de analisar um banco de dados com uma grande quantidade de

componentes disponíveis.

6.4. Análises de Sensibilidade

A partir da configuração do evaporador obtido para o COP

sistema

, foram construídas

curvas de sensibilidade que auxiliam na visualização do comportamento das variáveis de

otimização separadamente. Estas curvas são úteis em algumas situações onde o interesse não

é exclusivamente o ótimo global, mas eventualmente uma outra configuração próxima do

ótimo, seja por razões de viabilidade técnica ou econômica.

A Figura 6.12 apresenta a variação do

COP

sistema

e da razão de custo do evaporador (já

que o tipo do compressor e do ventilador foram mantidos fixos – ver Eq. (6.6)),

C$, em

função das variáveis de otimização

, N

e L

A configuração EFA Reto exibiu o pior desempenho para toda a faixa de altura de

seção de saída analisada, segundo a Figura 6.12a. Observa-se também que para

= 0,043

(60 aletas) pode-se obter um aumento no

COP de 3% e ainda uma redução na massa de 7%.

Adicionalmente, para valores de

COP apenas 1% menor do que o valor ótimo, para um valor

em torno de 0,0225 m, verifica-se uma redução na massa do trocador de quase 40%, A

Figura 6.12b mostra que o número de aletas influencia de forma quase linear tanto o

COP

quanto o custo, com uma queda ligeiramente mais acentuada no

COP para valores mais

baixos de número de aletas. Assim, é possível afirmar que reduzindo o número de aletas

obtém-se uma redução quase proporcional no custo do evaporador. Analisando os extremos

da faixa do número de aletas, observa-se uma redução em torno de 10% no custo para uma

redução de apenas 3% no

COP, para um menor número de aletas (30). Da Figura 6.12c

observa-se ainda que para um comprimento um pouco menor do que o ótimo (

= 0,170 m)

obtém-se praticamente o mesmo

COP para uma redução de custo em torno de 25%.

Diminuindo ainda mais o comprimento do evaporador verifica-se que o

COP apresenta uma

redução de menos de 1% para um decréscimo no custo de quase 45%.

Resultados e Discussões 157

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

1,01

1,02

1,03

1,04

0,6

0,7

0,8

0,9

[m]

COP

sistema

[-]

COPCOP

C$C$

C$ [-]

= 60 aletas

= 0,192 m

30 35 40 45 50 55 60

1,01

1,02

1,03

1,04

0,8

0,85

0,9

0,95

[aletas]

COP

sistema

[-]

COPCOP

C$C$

[

]

= 0,0430 m

= 0,192 m

(a) (b)

0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

0,94

0,96

0,98

1,02

1,04

0,4

0,6

0,8

[m]

COP

sistema

[-]

COPCOP

C$C$

[

]

= 60 aletas

= 0,0430 m

(c)

Figura 6.12 – Variação de COP

sistema

e razão de custo do evaporador em função de H

, N

e L

, a partir dos

resultados de otimização da função COP

sistema

6.4.1. Conclusões Parciais

Analisando as curvas de sensibilidade foi possível observar que mesmo fora do ótimo

global, grandes reduções de custo do evaporador podem ser alcançadas, impactando em

pequenas reduções do

COP em relação ao ponto de ótimo global. Estas análises podem ser de

grande importância quando, por exemplo, na presença de formação de geada sobre o

evaporador, é necessário aumentar o espaçamento entre as aletas ou a área de seção

transversal de saída.

Foi possível verificar que grandes alterações na geometria do evaporador não

impactaram de maneira muito significativa no

COP, mostrando que grandes reduções de custo

neste componente podem ser alcançadas sem penalizar o desempenho do sistema. Notam-se

também algumas descontinuidades no comportamento do

COP e custo. Estas

descontinuidades nas curvas em função das variáveis

e L

são conseqüências das adições

ou retiradas dos tubos (segundo a lei de formação dos tubos), o que não acontece com a

158 Resultados e Discussões

variação do número de aletas, já que o número de aletas não altera o posicionamento dos

tubos.

7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA

TRABALHOS FUTUROS

7.1. Conclusões Finais

O presente trabalho considerou um estudo teórico e experimental de evaporadores de

fluxo acelerado (EFA) aplicados a refrigeradores domésticos. Com o objetivo de obter dados

sobre a transferência de calor e a queda de pressão nestes trocadores, ensaios experimentais

com 14 protótipos de EFA e 1 evaporador “

no-frost” foram realizados, o que representa uma

adição significativa ao escasso montante de dados disponíveis na literatura. Com base nos

testes experimentais e em análises em CFD (Barbosa

et al., 2008) foi desenvolvido um

modelo teórico para o EFA, a partir das equações fundamentais de conservação de massa,

quantidade de movimento e energia. Os resultados do modelo foram comparados com 39

pontos experimentais, que foram reproduzidos com erros relativos de ± 10% tanto para a

queda de pressão total do sistema (evaporador + circuito de ar interno do refrigerador) quanto

para a transferência de calor.

Conforme o esperado, a configuração EFA 1/5 60 aletas apresentou a maior queda de

pressão. Ainda com relação aos dados experimentais, foi possível verificar que o EFA 1/5 30

aletas forneceu uma queda de pressão menor do que o EFA 1/5 2 aletas. Tal resultado pode

ser atribuído ao fato de que a adição de algumas aletas propicia uma organização do

escoamento, reprimindo a formação de grandes estruturas tridimensionais. Porém, ao

aumentar o número de aletas além de um dado limite, o atrito viscoso entre o ar e a superfície

das aletas torna-se importante, aumentando assim a queda de pressão. Outro resultado

interessante relacionado à queda de pressão foi a verificação de a parcela reversível da queda

de pressão é significativa apenas para os EFA 1/5, onde este efeito contribui para cerca de

20% da queda de pressão total.

Os resultados experimentais mostraram que a condutância térmica do lado do ar (

ηhA)

tem como fator dominante a área de troca, sendo que a aceleração do escoamento demonstrou

ser de importância secundária. Quando avaliado isoladamente, observou-se que o coeficiente

de transferência de calor (

h) dos evaporadores sem aleta são superiores aos dos trocadores

com aletas. Foi observado que o efeito da aceleração é mais pronunciado nos evaporadores

sem aleta, o que se deve provavelmente à presença do

by-pass, já que a redução do número de

160 Conclusões e Recomendações Para Trabalhos Futuros

aletas faz com que o escoamento atravesse mais pelo feixe de tubos do que pelos canais do

by-pass.

De posse do modelo matemático do EFA, foi possível realizar análises de desempenho

do evaporador isolado do sistema. Verificou-se que, quando a potência de bombeamento é

avaliada em função da transferência de calor, o evaporador que apresenta o melhor

desempenho é o EFA Reto 60 aletas. Entretanto, principalmente para baixos valores de

capacidade de refrigeração, seu desempenho não é tão superior a configurações com menor

volume de material, como o EFA 1/2 60 e o Mini 60. Isto leva a crer que, ao se considerar o

custo do trocador, estas configurações possam ser capazes de apresentar alguma vantagem em

relação à configuração original.

O tamanho do

by-pass também se mostrou um parâmetro importante. Através da

variação deste parâmetro, pode-se observar que o EFA 1/2 60 mostra uma potência de

bombeamento para uma mesma capacidade de refrigeração semelhante ao EFA Reto 30 e 60,

quando o tamanho do

by-pass é aumentado de 0,0045 m para 0,008 m no EFA 1/2 60.

Na seqüência, o modelo do EFA foi acoplado ao código de simulação de um

refrigerador “

no-frost”, baseado no trabalho de Pereira et al. (2006). O modelo de simulação

acoplado foi validado com base em dados de 8 testes experimentais, onde foram monitorados

os principais parâmetros do refrigerador: temperaturas dos compartimentos do congelador e

refrigerador, potência consumida pelo compressor, COP e pressões de sucção e descarga. Os

desvios entre os dados experimentais e as previsões do modelo computacional ficaram na

faixa de ±3°C para as temperaturas internas do congelador e refrigerador, e ±15% para a

potência de compressão, COP e para as pressões de sucção e descarga.

Uma interface gráfica foi desenvolvida com o intuito de facilitar a utilização do código

de simulação por outros usuários. Este aplicativo possibilita a entrada da geometria do

trocador, temperatura ambiente e fluido refrigerante, de forma a fornecer como resposta o

formato da aleta e o posicionamento dos tubos no evaporador, consumo de energia,

temperatura e vazão do ar nos compartimentos refrigerados.

Após a validação do código de simulação do refrigerador, uma metodologia baseada

no trabalho de Gomes (2006) foi aplicada nas análises de otimização do sistema de

refrigeração. Primeiramente, nestas análises, foram variados somente alguns parâmetros

geométricos do evaporador, como o número de aletas, o comprimento do evaporador e a área

da seção transversal de saída do EFA. Os resultados para a função objetivo que avalia o

máximo COP para uma menor massa do evaporador (

PEC K(COP)) mostram que o melhor

sistema é obtido com a seguinte configuração de evaporador:

= 0,0245 m, N

= 39 aletas e

Conclusões e Recomendações Para Trabalhos Futuros 161

= 0,100 m. Quando levando em conta também os custos do evaporador, do ventilador e do

compressor, a melhor configuração obtida foi:

= 0,0245 m, N

= 60 aletas e L

= 0,100 m.

Estes resultados mostraram que o conceito do EFA possui um grande potencial de aplicação

em refrigeradores domésticos, já que todos os resultados das análises de otimização

apresentaram algum nível de inclinação no formato da aleta do evaporador.

Outro aspecto importante foi a constatação de uma variação não muito significativa do

COP do sistema em função das variáveis geométricas do evaporador. A partir do ponto ótimo,

verificou-se uma variação do COP do sistema de apenas 10% entre os valores máximo e

mínimo, mostrando a grande potencialidade de reduções de custo através somente de

modificações na geometria do evaporador.

7.2. Sugestões para Trabalhos Futuros

A fim de tornar o presente trabalho mais abrangente, são sugeridas as seguintes

recomendações:

• Modelar a formação de geada sobre a superfície do evaporador. Tal estudo

tornará possível a verificação do impacto sobre a queda de pressão e

capacidade de refrigeração, já que no evaporador a formação de geada tem uma

influência direta na redução da vazão de ar e na degradação do coeficiente de

transferência de calor;

• Modelar o escoamento interno do fluido refrigerante no evaporador, a fim de

obter os efeitos do superaquecimento sobre o desempenho global do sistema de

refrigeração;

• Desenvolver um modelo simplificado para o gabinete do refrigerador,

dispensando assim a necessidade de experimentos de fluxo reverso para cada

tipo de gabinete utilizado;

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Apêndice I - Cálculo da Eficiência de Aleta

Para o cálculo do coeficiente de transferência de calor global (h) da superfície externa

de trocadores de calor tubo-aleta, é necessário antes utilizar um método para obter a eficiência

da superfície das aletas. Esta eficiência pode ser definida por (Kakaç e Liu, 2002),

)1(1

ηη

−−=

(I.1)

onde

A é a área superficial das aletas e

é a eficiência da aleta ao redor de um único tubo,

a qual (para uma aleta circular) é obtida pela seguinte expressão (Perotin e Clodic, 2003),

)tanh(

(I.2)

onde

r é o raio do tubo, φ é um parâmetro para eficiência de aleta circular e m é um parâmetro

padrão para superfícies estendidas definido por,

(I.3)

onde

e δ

representam, respectivamente, a condutividade térmica e a espessura da aleta.

Para trocadores de calor com aletas planas e contínuas, com múltiplas filas e arranjo

desencontrado, a aleta pode ser dividida em células hexagonais como mostra a Figura I.1.

Direção do

escoamento

Figura I.1 – Parâmetros geométricos para células hexagonais para arranjo desencontrado do feixe de tubos

aletados.

168 Cálculo da Eficiência de Aleta

Alguns estudos (Kern e Kraus, 1972, Pira et al. 2000, etc.) utilizam a solução exata da

eficiência de aletas planas circulares para obter

, porém, esta solução depende de funções

de Bessel. A fim de evitar a resolução destas funções e diminuir os erros entre soluções

analíticas e aproximadas (desenvolvida por Schmidt, 1945), Perotin e Clodic (2003)

realizaram comparações entre ambas as soluções e propuseram uma expressão modificada

para o calculo de

, que pode ser aplicada para aletas planas com células hexagonais,

através da utilização de um raio equivalente a aletas circulares (

). A expressão modificada

para

é dada pela seguinte equação,

)1,0cos(

)tanh(

(I.4)

onde,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

−

rrrm

eqeq

ln3,026,0

5,2

)(

3,011

3,0

5,1

(I.5)

O raio equivalente é obtido por,

3,027,1 −=

(I.6)

onde,

X +

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(I.7)

2/,2/

tttllt

PXsenãoPPsePX

(I.8)

Apêndice II - Desenhos, Dimensões e Relações

Geométricas dos EFA

Aqui são apresentados primeiramente os desenhos técnicos e as cotas dos protótipos

confeccionados para a análise experimental. Na seqüência são descritas as relações

geométricas utilizadas nos modelos e análises realizadas com os EFA.

II.1. Vistas e cotas dos protótipos dos EFA

Figura II.1 – Desenho técnico e cotas para os EFA Reto 1, 30 e 60 aletas.

Figura II.2 – Desenho técnico e cotas para os EFA 1/2 1, 30 e 60 aletas.

170 Desenhos, Dimensões e Relações Geométricas dos EFA

Figura II.3 – Desenho técnico e cotas para os EFA 1/5 1, 30 e 60 aletas.

II.2. Relações Geométricas dos EFA

No desenvolvimento do modelo matemático do EFA foram utilizadas várias definições

de áreas. Estão definições são dadas pelas seguintes relações:

• Áreas de entrada e saída do evaporador:

{

entradadefrontalárea

WHA

(II.1)

43421

aletasdasfrontalárea

ftii

NHFAA

−=

(II.2)

321

saídadefrontalárea

WHA

(II.3)

43421

aletasdasfrontalárea

ftoo

NHFAA

−=

(II.4)

• Área mínima de passagem pelo feixe de tubos aletados e do by-pass:

[

]

444344421444344421321

43421

tubosdosfrontalárea

ffoott

aletasdasfrontalárea

ftbp

passbydofrontalárea

frontalárea

NdWdNNHzHWHWzHA

δδ

−−−−−=

−

)2)((2)(

(II.5)

onde,

Desenhos, Dimensões e Relações Geométricas dos EFA 171

(

)

(

)

)(

VCVC

(II.6)

• Área mínima de passagem do by-pass:

43421321

aletasdasfrontalárea

ftbp

passbydofrontalárea

bpbpc

NHWHA

−

(II.7)

• Área de contato do ar com a superfície do feixe de tubos aletados:

()

4444444444444434444444444444421

aletasdaserficialárea

fVCbprtfVCfVC

NLHANNLNLHNA

sup

22)tan(2

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−−−−=

πθ

444344421

tubosdoserficialárea

VCtffo

NNWd

sup

)(

−

(II.8)

• Área de contato do ar com o by-pass:

fVCbpbp

NLHA 2=

(II.9)

• Massa do evaporador:

fte

MMM

(II.10)

onde

e M

representam, respectivamente, as massas do tubos e das aletas, e podem ser

calculadas pelas expressões,

)(

iottt

ddWNM −=

(II.11)

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

)(

ffff

LHH

πδρ

(II.12)

Apêndice III - Calibração do Medidor de Fluxo de

Massa

III.1. Procedimento Experimental

Na realização do balanço de energia do lado da água, era necessária a obtenção do

valor do fluxo de massa de água que circulava por este circuito. Foi utilizado então um

medidor de fluxo de massa do tipo

Coriolis (fabricante MicroMotion). Como este

equipamento já apresentava um tempo de uso razoável e o valor do fluxo de massa era uma

variável importante no balanço de energia, optou-se por fazer uma calibração do mesmo, com

o intuito de aferir e corrigir possíveis variações nas medições do fluxo de massa.

Este equipamento envia um sinal linear em corrente (4 a 20mA) em função do fluxo de

massa que atravessa o instrumento. A fim de realizar a medição em tensão (

DT), uma

resistência elétrica de valor conhecido (neste caso de 249,14 Ω) foi adicionada em série no

circuito elétrico do sistema de medição.

O procedimento utilizado para realizar a calibração é relativamente simples, fazendo

uso de um béquer, uma balança (Marte, modelo AS2000C e incerteza ±0,005g) e um

cronômetro:

O fluxímetro primeiramente é montado de acordo como este será usado

posteriormente nos ensaios com os evaporadores;

O béquer é limpo e colocado sobre a balança para obter a tara;

Liga-se a circulação de água, seleciona-se uma rotação na bomba e espera-se

(em torno de 10 minutos) para o sistema entrar em regime permanente;

Determina-se o instante em que a medição da tensão referente ao fluxímetro

está variando em uma faixa inferior a 5% do valor medido. Em seguida, inicia-

se a coleta de água com o béquer simultaneamente com o início da contagem

com o cronômetro;

A água é coletada até que o béquer se encha. Neste instante, o béquer é retirado

e é parado o cronômetro.

O béquer é pesado na balança e é registrada a massa de água.

174 Calibração do Medidor de Fluxo de Massa

7) Retorna-se ao passo 3, seleciona-se uma nova rotação, repetindo os passos 3-6

até cobrir toda a faixa de medição desejada.

De posse do tempo decorrido

t, em [s], e da massa de água m

, em [kg], é possível

obter a vazão em massa pela seguinte relação,

(III.1)

que é correlacionado com a tensão medida durante o intervalo de tempo em que era coletada a

água. O banho termostático mantinha a água a uma temperatura de 35±0,5°C.

III.2. Resultados

A Tabela III.1 mostra os dados e a Figura III.1 o ajuste linear referentes às medições

obtidas do processo de calibração. O ajuste linear forneceu a seguinte equação,

DT842,6969,320 -

(III.2)

Tabela III.1 – Resultados da calibração do fluxímetro.

Rotação da

bomba

Peso Tempo Tempo Tensão Fluxo de massa

[RPM] [g] [s] [h] [V] [kg/h]

100 1155 189,1 0,0517 1,32 22,35

200 1368 92,6 0,0253 1,77 54,05

300 1178 51,0 0,0139 2,21 84,49

400 1586 51,2 0,0140 2,62 113,42

500 1642 42,3 0,0116 3,03 142,04

600 1437 31,1 0,0085 3,41 169,33

700 1679 31,2 0,0085 3,79 196,83

800 1869 30,5 0,0083 4,17 224,28

900 1751 25,3 0,0069 4,61 252,91

1000 1486 19,6 0,0053 4,98 277,91

1100 1363 16,5 0,0045 5,36 302,89

III.3. Estimativa da Incerteza da Calibração

A incerteza devida ao processo de calibração foi estimada através da seguinte

expressão,

aocal

uuu +=

(III.3)

Calibração do Medidor de Fluxo de Massa 175

onde

é a incerteza padrão das observações e é calculada através do máximo desvio padrão

verificado durante o processo de calibração, para um determinado ponto de fluxo de massa

medido.

11,52 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

100

150

200

250

300

350

Tensão

[

]

Fluxo de massa [kg/h]

Vazão experimentalVazão experimental

Ajuste LinearAjuste Linear

Figura III.1 – Comparação e ajuste linear da calibração do medidor de fluxo de massa.

é a incerteza devido ao ajuste da curva de calibração, que é obtida fazendo uso dos

valores de fluxo de massa medidos (

) e do fluxo de massa ajustado (Eq. III.2) para cada

ponto de fluxo de massa medido, aplicados na seguinte equação,

)1(

)(

GPN

ajusteo

+−

−

∑

(III.4)

onde

N é o número de pontos de calibração e GP é o grau do polinômio ajustado. Utilizando-

se o procedimento citado, o valor de

obtido foi de 0,406 kg/h.

O máximo desvio padrão verificado para o processo de calibração foi de 0,597 kg/h.

Aplicando então este valor na Eq. (III.3) obtemos

cal

= 0,72 kg/h.

Apêndice IV - Análises das Incertezas Experimentais

IV.1. Metodologia

As incertezas experimentais das variáveis foram estimadas segundo as recomendações

do guia INMETRO (2003) e no trabalho de Silva (2008). Estas estimativas foram avaliadas

baseadas no cálculo da média (

q ) e desvio padrão (DP), para então se obter a incerteza

expandida (

U). Estes parâmetros são dados pelas seguintes equações,

∑

(IV.1)

)(

−

∑

(IV.2)

uukU +=

(IV.3)

onde

n é o número total de pontos medidos, i se refere a um dos pontos medidos, k é o

coeficiente de Student (assumido igual a 2 para 95% de probabilidade em todos os cálculos),

é a incerteza inerente ao sistema de medição (por exemplo, incertezas fornecidas pelo

fabricante ou por calibrações realizadas) e

é a incerteza padrão das observações.

A incerteza padrão das observações (

) das variáveis medidas foi divida em dois

tipos:

Variáveis medidas diretamente: são obtidas da medição direta por um

instrumento de medição, não sendo utilizada nenhuma outra medição

experimental no seu cálculo. Na avaliação das incertezas padrões deste tipo as

variáveis experimentais foram classificadas ainda em dois grupos (Silva,

2008): a) invariável no tempo e b) variável no tempo. A Figura IV.1 apresenta

um exemplo típico do comportamento destes dois grupos.

178 Análises das Incertezas Experimentais

0 5 10 15 20 25 3

3,85

3,9

3,95

4,05

4,1

Tempo [min]

evap

[Pa]

0 5 10 15 20 25 3

22,1

22,15

22,2

22,25

22,3

Tempo [min]

Temperatura [°C]

(a) invariável no tempo (b) variável no tempo

Figura IV.1 – Exemplo do comportamento de parâmetros (a) invariáveis e (b) variáveis no tempo.

Para o grupo das invariáveis no tempo, a incerteza padrão é obtida por,

(IV.4)

Já para o grupo das

variáveis no tempo a incerteza padrão é dada por,

DPu

(IV.5)

ii.

Variáveis medidas indiretamente: são variáveis que necessitam de duas ou

mais medições experimentais para determinar um único parâmetro de interesse,

como por exemplo, a incerteza padrão da medição da temperatura na entrada

da seção de teste do evaporador, que é uma média da medição experimental de

três termopares. No cálculo deste tipo de incerteza foi utilizada a chamada lei

da propagação das incertezas, que é dada por,

∑

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

=→=

yuxxxfy

)()(),...,,(

(IV.6)

Caso as grandezas independentes da equação anterior sejam correlacionadas

(isto é, a alteração em uma implique na modificação de outra e exista uma

correlação estatística entre estas) a incerteza padrão passa a ser calculada por,

Análises das Incertezas Experimentais 179

),()()(2)()(

xxrxuxu

∑∑∑

−

=+=

⋅

∂

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

(IV.7)

onde

r(x

) é o coeficiente de correlação das grandezas associadas x

e x

Tendo sido descrito a metodologia utilizada na avaliação das incertezas, a seguir são

apresentados algumas das estimativas das incertezas expandidas para as principais grandezas

medidas dos ensaios experimentais para os evaporadores testados.

IV.2. Resultados das Estimativas para os testes dos EFA

30 50 70 90 11

Vazao

[

]

u(UA) [%]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #3 - Reto 2Evap. #3 - Reto 2

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #6 - 1/2 2Evap. #6 - 1/2 2

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

30 50 70 90 11

Vazao

[

]

u(Q

) [%]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #3 - Reto 2Evap. #3 - Reto 2

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #6 - 1/2 2Evap. #6 - 1/2 2

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

(a) (b)

30 50 70 90 11

Vazao

[

]

u(Q

) [%]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #3 - Reto 2Evap. #3 - Reto 2

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #6 - 1/2 2Evap. #6 - 1/2 2

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

30 50 70 90 11

Vazao

[

]

) [%]

Evap. #1 - Reto 60Evap. #1 - Reto 60

Evap. #2 - Reto 30Evap. #2 - Reto 30

Evap. #3 - Reto 2Evap. #3 - Reto 2

Evap. #4 - 1/2 60Evap. #4 - 1/2 60

Evap. #5 - 1/2 30Evap. #5 - 1/2 30

Evap. #6 - 1/2 2Evap. #6 - 1/2 2

Evap. #7 - 1/5 57Evap. #7 - 1/5 57

Evap. #8 - 1/5 30Evap. #8 - 1/5 30

Evap. #9 - 1/5 2Evap. #9 - 1/5 2

Figura IV.2 – Incertezas experimentais percentuais para (a) condutância térmica, (b) troca de calor do ar, (c)

troca de calor da água (0,5°C) e (d) perda de carga do evaporador do lado do ar.

Apêndice V - Testes de Fluxo de Calor Reverso

Neste apêndice são apresentados os procedimentos e os resultados experimentais

obtidos dos testes de fluxo de calor reverso. Estes testes experimentais se fazem necessários já

que o desenvolvimento de um modelo para o cálculo da carga térmica do gabinete depende

das suas características construtivas (que muitas vezes apresentam uma geometria complexa e

propriedades físicas não uniformes), transferência de calor pela gaxeta e efeitos de condução

de calor multidimensional.

Os testes de fluxo de calor reverso consistem em dissipar taxas de transferência de

calor conhecidas dentro dos compartimentos do refrigerador, mantendo a temperatura externa

menor do que a interna. Assim, o calor é transferido de dentro para fora do gabinete,

fornecendo um fluxo reverso de calor, quando comparado com o refrigerador em

funcionamento.

Realizando balanços de massa e energia, e conhecendo as temperaturas, potências

dissipadas e a vazão nos compartimentos, é possível obter os valores de condutância térmica

global (

UA), levando em consideração todas as características geométricas e propriedades

físicas do gabinete. O modelo do experimento é baseado nos balanços de massa e energia

descritos na seção 4.5.1.

V.1. Procedimento Experimental

O refrigerador é posicionado na câmara de testes de acordo com as distâncias padrões

citadas na Seção VIII.2. Após o refrigerador ter sido posicionado e os cabos de alimentação e

instrumentação terem sidos conectados, o sistema de controle de temperatura da câmara é

ligado. As quantidades de calor conhecidas são fornecidas pela resistência de degelo do

evaporador, dissipação de calor do ventilador (~7W) e pelas resistências adicionadas nos

compartimentos (como ilustrado na Seção VII.1). Estas são então ajustadas juntamente com a

temperatura ambiente da câmara de maneira que, a diferença entre as temperaturas internas e

externas sejam próximas as diferenças de quando o refrigerador está ligado. Por exemplo, nos

testes de fluxo reverso realizados no presente trabalho, a temperatura ambiente foi

configurada para se manter em 15°C, enquanto as temperaturas internas do gabinete se

mativeram próximas de 60°C, fornecendo uma diferença de temperatura de 45°C. Esta

diferença de temperatura é aproximadamente igual àquela existente no refrigerador em

182 Testes de Fluxo de Calor Reverso

funcionamento, onde as temperaturas médias internas ficam em torno de -15°C, enquanto a

externa é de 32°C (diferença de 45°C).

Com as potências e a temperatura ambiente ajustadas, aguarda-se até que o processo

de transferência de calor no refrigerador entre em regime permanente, ou seja, até que as

temperaturas, tanto internas quanto externas, apresentem uma variação inferior a 0,2°C

durante um intervalo de 30 minutos. Alcançado este critério, todas as medições de

temperatura e potência são gravadas no microcomputador do sistema de aquisição da câmara

para um intervalo de 1 hora, com uma taxa de aquisição de 1 ponto a cada 5 segundos.

V.2. Análise de Dados e Resultados

Os ensaios experimentais foram realizados para duas condições: i) alternando a

dissipação de calor dentro dos compartimentos do evaporador, congelador e refrigerador e ii)

todas as resistências ligadas com temperaturas iguais em todos os compartimentos. Isto

porque se desejava que o ajuste experimental fosse válido para todas as condições de carga

térmica possíveis. Os resultados para todas as condições testadas estão apresentados na Tabela

V.1.

Tabela V.1 – Resultados para os testes de fluxo de calor reverso do refrigerador.

Teste T

[C°] T

[C°]

amb

[C°]

[W]

1 63,19 62,09 16,92 13,08 54,9 8,86 6,3

2 50,65 42,21 16,77 15,18 15,26 11,33 6,3

3 49,05 43,8 15,96 20,09 25,02 0 6,3

4 45,98 43,21 16,78 0 24,82 15,72 6,3

5 49,1 34,54 16,48 20,09 0 13 6,3

A partir dos balanços de massa e energia dentro dos compartimentos do evaporador

congelador e refrigerador (convém notar que aqui os fluxos de calor têm direção oposta aos

empregados na Seção 4.5.1. ), chega-se às seguintes equações,

rcg

ambcg

vecg

ggg

)()(

)(

−

=++

&&&

(V.9)

cgr

ambr

ver

ggg

)(

))(1(

−

=+−+

&&&

(V.10)

onde,

Testes de Fluxo de Calor Reverso 183

(V.11)

(V.12)

crpe

UAcm

+−

)(

φφ

(V.13)

, T e R representam, respectivamente, a potência dissipada, a temperatura e a resistência

térmica das paredes. Os sub-índices

cg, r, cr, e e v representam, respectivamente, o

congelador, o refrigerador, o evaporador e o ventilador.

Como

se refere à transferência de calor que ocorre na parede entre os

compartimentos do congelador e refrigerador, e esta tem a aproximadamente a mesma

espessura porém com 1/5 da área do congelador,

foi definido pela seguinte relação,

UA =

(V.14)

A partir dos resultados dos ensaios experimentais, foi empregado o método dos

mínimos quadrados para regredir os parâmetros

, UA

e UA

, já que todas as outras

variáveis foram medidas experimentalmente. Do emprego deste método, obteve-se os

resultados mostrados pela Tabela V.2.

Tabela V.2 – Resultados obtidos do método dos mínimos quadrados usando os dados experimentais.

Variável Unidade Valor

[-] 0,85

[kg/s] 0,0105

[W/m

K] 0,52

[W/m

K] 1,25

Os resultados aqui obtidos para

, e

podem ser comparados os mesmos

parâmetros medidos na caracterização de circulação interna de ar (Apêndice VI). Os

resultados lá obtidos forneceram um valor de 0,8 para a variável

, mostrando um desvio de

apenas 6% em relação ao valor aqui obtido. Isto, de certa forma valida, a qualidade do ajuste

experimental realizado para as condutâncias globais, já que outro procedimento experimental

completamente diferente forneceu um resultado semelhante para um parâmetro em comum.

Entretanto, quando uma comparação é feita para

, verifica-se um desvio considerável (-

184 Testes de Fluxo de Calor Reverso

35,7%). Porém, este desvio excessivo pode ser atribuído a instrumentação adicionada

posteriormente aos ensaios de circulação interna de ar e principalmente a grande diferença de

temperatura que o ventilador do refrigerador estava sujeito. Tanto as propriedades

termodinâmicas do ar (como viscosidade e densidade) quanto a eficiência do motor elétrico

do ventilador podem sofrer alterações significativas para altas variações de temperaturas. Para

os testes de circulação interna de ar, as temperaturas do ar e do ambiente do ventilador

ficaram em torno de 25°C. Já para os testes de fluxo de calor reverso, essa temperatura foi

mantida em torno de 60°C, apresentando assim uma diferença de 35°C.

Apêndice VI - Caracterização Experimental da Circulação

Interna de Ar e do Ventilador

Neste apêndice são descritos a montagem, o procedimento e os resultados dos ensaios

experimentais da vazão no compartimento do congelador e do refrigerador e suas respectivas

quedas de pressão em função da vazão de ar. A finalidade dos ensaios era obter as

impedâncias (resistência ao escoamento) em função da vazão de ar para ambos os

compartimentos, e também a relação de vazão que circulam entre estes dois compartimentos.

Após caracterizado a circulação interna foi obtida também a curva característica do

ventilador (queda de pressão vs. vazão), que representa a vazão que um determinado

ventilador fornece quando submetido a uma determinada diferença de pressão.

VI.1. Circulação Interna de Ar

Instrumentação e Montagem

Com o objetivo de determinar a variação de perda de carga e as vazões de ar que

circulam em cada compartimento refrigerado, foram feitos testes com o refrigerador acoplado

a um túnel de vento. A Figura VI.1 mostra um esquema do acoplamento realizado entre

refrigerador e o túnel de vento e o posicionamento dos pontos de medição de pressão.

Os pontos de medição de foram realizados através de mangueiras de PVC flexível com

4,5 mm de diâmetro e furos de 1 mm de diâmetro em linha reta e espaçados entre si por 50

mm (como apresentado na seção 3.2.2. ). Estas foram posicionadas circundando os dutos nos

pontos 1-4 da Figura VI.1. As mangueiras foram posicionadas de forma que o escoamento de

ar fosse perpendicular aos furos de maneira que fosse obtida somente a parcela da pressão

estática do escoamento.

damper foi fixado para ser manter sempre na posição de abertura máxima e o

sistema de refrigeração foi mantido desligado em todos os testes aqui realizados. O mesmo

túnel de vento utilizado nos testes com os evaporadores (Seção 3.2.2. ) foi empregado para a

medição da vazão de ar que passa pelo refrigerador.

186 Caracterização Experimental da Circulação Interna de Ar

Ventilador do

Evaporador

Damper

Ventilador

Auxiliar

Túnel de Vento

Refrigerador

Congelador

Pontos de medição de Pressão

Figura VI.1 – Esquema do acoplamento do refrigerador ao túnel de vento para medição da vazão total.

A vazão no compartimento do refrigerador varia em torno de 8 m

/h e no congelador

42 m

/h. No entanto, com o túnel de vento disponível não era possível realizar medições

precisas de vazão para valores abaixo de 12 m

/h. Assim, foram realizados testes para a vazão

total (~ 51 m

/h) e para o compartimento do congelador, sendo que a vazão do refrigerador foi

obtida através da subtração das duas anteriores.

Os testes de circulação de ar interna foram divididos em duas etapas: i) medição da

vazão total e ii) medição da vazão do congelador.

Procedimental Experimental

Os instrumentos de medição são ligados dez minutos antes da execução dos testes para

estabilização dos equipamentos eletrônicos. Em seguida, os transdutores de pressão

diferencial são “zerados” para a condição em que não há escoamento no refrigerador e/ou no

túnel de vento. Na medição da diferença de pressão dos pontos medidos foram utilizados os

mesmos transdutores de pressão dos ensaios dos evaporadores descritos na seção 3.2.2.

Na medição da vazão total, foram seguidos os passos abaixo:

Inicialmente o ventilador do refrigerador é ligado na sua tensão nominal (220

V e 60 Hz).

Caracterização Experimental da Circulação Interna de Ar 187

Em seguida o ventilador auxiliar é ligado e sua vazão é ajustada até que as

pressões nos pontos 1 e 2 se igualem às dos pontos 3 e 4 (Figura VI.1).

Igualando estes pontos de pressão, pode-se desprezar a perda de carga imposta

pelo túnel de vento e os pontos inicial e final do circuito de ar ficam sujeitos ao

mesmo valor de pressão.

Repetem-se os passos 1-2 para tensão de 140 e 178 V.

Para a medição de vazão do congelador, utilizou-se o mesmo procedimento descrito

acima, porém neste ensaio, foi utilizado o esquema da Figura VI.2 e, no passo 2, as pressões a

serem igualadas são os pontos 1 e 2.

Resultados

A Tabela VI.1 mostra os resultados das vazões obtidas para as determinadas tensões

impostas ao ventilador do evaporador. A fração de vazão (

) foi calculada através

da divisão da vazão de ar que atravessa apenas o congelador (

) pela vazão total (

Tabela VI.1 – Valores da vazão em função da tensão do ventilador do refrigerador.

Tensão do ventilador do

evaporador [V]

Vazão do congelador,

/h]

Vazão total,

/h]

Fração de vazão,

[-]

140 24,7 30,6 0,81

178 49,2 60,6 0,81

220 68,8 86,6 0,79

Como pode ser verificado na Tabela IV.1, o valor de fração de vazão não varia

significativamente na faixa de vazão de interesse. Logo, foi concluído que a fração de vazão

não varia dentro desta faixa e pôde ser assumido um valor fixo médio de

= 0,80.

Para a obtenção da impedância do congelador,

, foi utilizado o mesmo procedimento

experimental da medição da vazão do congelador. Os resulatdos obtidos são mostrados na

Tabela IV.2. A partir dos dados da tabela foi ajustado um valor para

que representasse o

comportamento da perda de carga do congelador em função da vazão, dada pela seguinte

relação,

cgarcgcg

VIP

=Δ

(VI.1)

188 Caracterização Experimental da Circulação Interna de Ar

Ventilador do

Evaporador

Damper

Ventilador

Auxiliar

Túnel de Vento

Refrigerador

Congelador

Figura VI.2 – Esquema do acoplamento refrigerador-túnel de vento para medição da vazão do congelador.

Tabela VI.2 – Valores da vazão e perda de carga do congelador.

Vazão do congelador,

/h]

Perda de carga,

[Pa]

0,004 0,0

0,008 4,2

0,011 13,6

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,01

/s]

[Pa]

= 176921

P = I

Figura VI.2 – Ajuste da impedância do congelador em relação aos dados experimentais.

Caracterização Experimental da Circulação Interna de Ar 189

VI.2. Ventilador

Instrumentação e Montagem

A montagem e instrumentação para medição da vazão e queda de pressão no

ventilador segue os mesmo detalhes referentes as tomadas de pressão citadas na seção

anterior, e são dispostas conforme ilustradas na Figura VI.3.

Ventilador do Evaporador

Ventilador Auxiliar

Túnel de Vento

Figura VI.3 – Esquema do acoplamento ventilador-túnel de vento para medição da vazão e queda de pressão.

Procedimento Experimental para Medição de Vazão

O procedimento experimental é semelhante ao realizado para vazão do refrigerador:

Aciona-se o ventilador do evaporador, com o túnel de vento fechado em sua

saída, e após alcançar regime permanente (variação de pressão menor que 0,5

Pa), se obtém a máxima variação de pressão para a mínima vazão;

Em seguida, o ventilador auxiliar é ligado e a sua rotação é ajustada até que a

diferença de pressão entre os pontos 1 e 2 seja menor que 0,5 Pa. Assim se

obtém a máxima vazão para a mínima variação de pressão;

3) Na seqüência, a rotação do ventilador auxiliar é reduzida de maneira a se obter

pontos intermediários de vazão.

O passo 3 é então repetido tantas vezes quanto necessário para obter todos os pontos

de vazão/queda de pressão no intervalo desejado.

Resultados

A Tabela VI.2 e a Figura VI.4 apresentam os resultados obtidos para os testes de

vazão/ queda de pressão para o ventilador do evaporador. Porém, nenhum polinômio se

ajustou adequadamente à curva característica completa do ventilador Original. A fim de

190 Caracterização Experimental da Circulação Interna de Ar

contornar esse problema, foi utilizada da curva deste ventilador somente a faixa de vazão de

interesse (entre 0 a 80 m

/h), já que se sabia a priori que este ventilador não iria alcançar

níveis de vazão superiores a 80 m

/h quando em funcionamento no refrigerador em estudo. Os

polinômios obtidos para perda de carga (em Pa) em função da vazão (em m

/h) obedecem a

seguinte relação,

210 tttt

VaVaVaaP

&&&

+++=Δ

(VI.2)

onde,

Original:

= 33,9; a

= 0,014; a

= -0,0033, a

= 0,000029;

DC 24V:

= 39,2; a

= -0,41; a

= 0,0081, a

= -0,000089.

Foi obtida também uma eficiência média para os ventiladores Original e DC 24V de

3,47% e 8,54%, respectivamente.

Tabela VI.2 – Resultados para perda de carga em função da vazão do ventilador.

Original DC 24V

Rotação

[RPM]

Δp

ventilador

[Pa]

Vazão

/h]

Rotação

[RPM]

Δp

ventilador

[Pa]

Vazão

/h]

2445 33,9 2445 3090 7,0 85,8

2752 33,3 2752 3234 21,2 68,6

2911 31,6 2911 3023 26,5 51,8

3011 29,7 3011 2973 30,7 34,9

3094 28,7 3094 2896 34,7 17,3

3031 33,0 3031 2828 38,2 0,8

2960 14,4 2960

2991 7,3 2991

04080 120

Vazão [m

/h]

P [Pa]

Experimental - OriginalExperimental - Original

Melhor polinômio ajustado - OriginalMelhor polinômio ajustado - Original

Experimental - DC 24VExperimental - DC 24V

Ajuste polinomial - DC 24VAjuste polinomial - DC 24V

02040 60 80

Vazão [m

/h]

P [Pa]

ExperimentalExperimental

Ajuste polinomialAjuste polinomial

(a)Curva completa (b)Faixa de interesse do ventilador Original

Figura VI.4 – Diferença de pressão em função da vazão experimental dos ventiladores.

Apêndice VII - Instrumentação e Modificações no

Refrigerador

VII.1. Instrumentação

O refrigerador em estudo foi instrumentado com 48 pontos de medição de temperatura

com o objetivo de identificar o comportamento térmico das superfícies internas e externas,

dos ambientes dos compartimentos refrigerados e dos componentes do sistema de

refrigeração. Na realização destas medições foram utilizados termopares do Tipo T, que

apresentam uma incerteza de medição de ±0,2°C, segundo o procedimento de calibração

(EMBRACO, 2002). Os termopares também foram cobertos por uma fita metálica para evitar

a radiação das resistências adicionadas dentro dos compartimentos (Figura VII.1). Dois

transdutores de pressão foram posicionados na entrada e na saída do compressor, a fim de

medir as pressões de sucção e descarga. Para medição da pressão de sucção foi utilizado um

transdutor tipo

strain-gauge (fabricante HBM), com uma faixa de trabalho de 0-10bar, com

uma incerteza de ±0,02 bar. Já para a medição da pressão de descarga foi usado o mesmo tipo

de transdutor e do mesmo fabricante, porém, para uma faixa de 0-20bar e incerteza de

±0,04bar. Um transdutor de pressão diferencial também foi instalado para medir a perda de

carga do ar entre os pontos de entrada e saída do evaporador, dentro do seu compartimento no

refrigerador. Este era um transdutor de fabricação Druck (modelo LXP1010), com uma faixa

de medição de 0-20Pa, com incerteza de medição de 0,5% do fundo de escala (±0,1Pa). Além

da resistência de degelo presente no evaporador original do refrigerador, outras duas foram

adicionadas: 1) uma resistência de silicone de 100W no congelador e 2) uma de 50W no

refrigerador (Figura VII.1). A adição destas resistências foi necessária para realizar os testes

experimentais de fluxo reverso (para obter o coeficiente global de transferência de calor do

gabinete) e para se alcançar as temperaturas de projeto em ambos os compartimentos. As

resistências foram posicionadas de forma a fornecer a menor estratificação de temperatura

possível.

Como os termostatos de controle foram desconectados, a obtenção de uma

determinada temperatura em regime permanente era feita ajustando o valor da potência

liberada pelas resistências de maneira a atingir as temperaturas desejadas. A Figura VII.2

ilustra mais detalhadamente a posição das resistências e dos pontos de medição de

temperatura e pressão absoluta e diferencial.

192 Instrumentação e Modificações no Refrigerador

(a)Compartimento do congelador (b)Compartimento do refrigerador

Figura VII.1 – Cobertura dos termopares nos compartimentos e distribuição das resistências.

Ponto de medição de

temp. do ar

Ponto de medição de

temp. de superfície

Refrigerador

Porta

Refrig erador

Tubo Capilar

Congelador

Evaporador

No-Frost

Ventilador CA

Porta

Congelador

Duto de retorno do refrigerador

Duto de ret orno do congelador

Duto de insuflamento

Plenum

Compressor

Hermético

Alternativ o

Trocador de Calor TC -LS

Fil tro Secador

Linha de Descarga

Linha de Sucção

Condensador

Arame -sobre -Tubo

Resistência

Evaporador

Condensador

Compressor

Tubo Capilar

Transdutor de

Pressão

Vistas Laterais Vista Frontal

Ponto de medição de temp.

do ar com massa térmica

Figura VII.2 – Posicionamento das resistências e dos pontos de medição de temperatura e pressão.

Resistências

Termopares

Instrumentação e Modificações no Refrigerador 193

VII.2. Modificações no Refrigerador

Algumas modificações foram necessárias para realizar o controle adequado do

refrigerador e atender os requisitos que exigiam o código de simulação. O controle eletrônico

do refrigerador foi desligado, sendo que a operação do compressor, ventilador e das

resistências ficava por conta do operador do ensaio, feito através do painel elétrico da câmara

de testes. Assim, o funcionamento de toda a parte elétrica do refrigerador era feita

remotamente.

O condensador foi substituído por um maior em relação ao original. Isto porque se

necessitava alcançar certo nível de sub-resfriamento, já que o código de simulação exigia esta

condição. Porém, mais tarde depois de alguns testes preliminares, verificou-se que a adição de

um condensador maior não forneceu ainda sub-resfriamento, sendo necessária a instalação de

uma válvula, para se obter esta condição.

Uma válvula de agulha de fabricação da

Nupro/Swagelok, modelo S Series, orifício de

passagem com diâmetro de 0,81 mm, foi instalada no refrigerador. O objetivo desta era

controlar o nível de sub-resfriamento no condensador, e também conseqüentemente, a pressão

de evaporação. O ajuste da abertura da válvula aumenta a diferença entre a pressão de

condensação e pressão de evaporação, além de reduzir o fluxo de massa refrigerante pelo

dispositivo de expansão. Um diagrama esquemático da posição da instalação válvula de

agulha é mostrado na Figura VII.3.

Todas as prateleiras e gavetas foram retiradas dos compartimentos refrigerados, para

evitar problemas de circulação interna de ar e estratificação de temperatura, já que não se

estava interessado em analisar a distribuição de vazão e temperatura entre as prateleiras e

gavetas do produto original, e sim, realizar somente a validação do modelo de simulação do

refrigerador simplificado.

Toda a fiação, de termopares e elétrica, foi passada por furos de 10 mm de diâmetro

feitos na lateral do refrigerador. Estes furos, após a passagem da fiação, foram preenchidos

com poliuretano para evitar a infiltração de umidade e calor.

No compartimento do evaporador foram realizadas duas modificações: i) a instalação

de mangueiras para medição da queda de pressão no evaporador e ii) um isolamento adicional

para acomodar os EFA.

Para verificar se a queda de pressão no evaporador estava se elevando

demasiadamente em conseqüência da formação de gelo, duas mangueiras foram instaladas a

montante e a jusante do evaporador (Figura VII.4). Estas mangueiras se tratavam de tubos de

194 Instrumentação e Modificações no Refrigerador

PVC flexível com 4,5 mm de diâmetro, e furos de 1 mm de diâmetro em linha reta e

espaçados entre si por 50 mm. Os furos foram feitos na região da mangueira que se

encontrava dentro do compartimento do evaporador. As mangueiras atravessavam a parede do

congelador através de dois furos de 15 mm de diâmetro. Depois de instaladas as mangueiras,

os furos foram preenchidos com poliuretano e cola de silicone.

Para os EFA, foi necessária a adição de um isolamento adicional para acomodar estes

tipos de trocadores no compartimento do evaporador, já que o trocador original do

refrigerador tem um formato retangular e os EFA apresentam um formato trapezoidal. Caso

não fosse instalado este isolamento adicional, a vazão de ar não iria percorre toda a extensão

do trocador, reduzindo significativamente a troca de calor neste componente.

Figura VII.3 – Sistema refrigeração modificado (Gonçalves, 2004).

Instrumentação e Modificações no Refrigerador 195

Porta

Gaxeta

Ventilador

Transdutor de

Pressão

Diferencial

Mangueiras de

Medição de

Pressão

Evaporador

Isolamento

Adicional dos

EFA

Retorno do

Congelador

Insuflamento do

Refrigerador

Retorno do

Refrigerador

Plenum

Insuflamento

do Congelador

Porta

Isolamento do

Gabinete

Figura VII.4 – Corte lateral do gabinete com as modificações para acomodação e medição da perda de carga dos

EFA implementados no refrigerador.

Apêndice VIII - Câmara e Procedimento de Testes de

Validação

VIII.1. Câmara de Testes

Na realização dos ensaios de validação do refrigerador foi necessária a utilização de

uma câmara de testes. Esta tinha a finalidade de controlar a temperatura e as velocidades do ar

ambiente. Este aparato também disponibilizava um sistema de aquisição de dados para a

realização das medições das temperaturas, pressões, potências e outros sinais de natureza

elétrica.

A temperatura ambiente é controlada através de um sistema composto por quatro

equipamentos principais: um evaporador de um sistema de condicionamento de ar, um

damper, um ventilador e uma bancada de resistências. A Figura VIII.1 mostra o caminho que

o ar percorre dentro da câmara e como os componentes estão arranjados.

Figura VIII.1 – Diagrama esquemático da câmara de testes (Hermes, 2006).

Com a finalidade de controlar a temperatura ambiente, o ar é circulado através de um

ventilador, como mostra a figura. O sistema de refrigeração é mantido sempre ligado, de

forma que o evaporador retira calor continuamente do ar. Como o ar é resfriado pelo

evaporador, as resistências são controladas por um microcontrolador PID (

Proporcional-

ntegral-Derivativo) de maneira a liberar potência (pelo controle da corrente elétrica) para que

198 Câmara e Procedimento de Testes de Validação

estas aqueçam o ar e o mantenham na temperatura desejada. Três termopares do Tipo T são

posicionados dentro da câmara, e juntos mandam um sinal para controlador PID, que libera

potência para as resistências conforme a necessidade, para manter a temperatura no valor

configurado no controlador. Já o

damper tem o objetivo de auxiliar no ajuste vazão que passa

pelo evaporador, para ajustar o controle de temperatura e vazão de ar dentro da câmara. Telas

homegenizadoras foram adicionadas no teto e no piso a fim de distribuir de maneira uniforme

dentro de todo o interior da câmara. Através destes controles a temperatura ambiente é

mantida na faixa de ±0,5°C e o ar a velocidades inferiores a 0,25 m/s.

As leituras das medições experimentais foram realizadas através de um sistema de

aquisição HP75000 de 112 canais. Mais detalhes podem ser obtidos em Gonçalves (2004) e

Hermes (2006). Quatro transdutores de potência também foram utilizados na medição das

potências consumidas pelo compressor, resistências de degelo e dos compartimentos do

congelador e refrigerador. Estes transdutores tinham uma faixa de medição de 0-80W, 0-

400W, 0-12000W, fabricante YOKOGAWA e incerteza de medição 0,5% do fundo de escala.

VIII.2. Procedimento dos Testes de Validação

Inicialmente o refrigerador é posicionado dentro da câmara de testes respeitando as

distâncias padrões das paredes (Figura VIII.2). Em seguida, os cabos de alimentação e os

termopares são conectados a um painel que se encontra no mesmo ambiente interno dentro da

câmara. É realizado então a evacuação de uma célula de carga de fluido refrigerante. O nível

de vácuo é tido como suficiente quando a pressão dentro da célula atingir um valor de 2,5

mbar. Uma carga inicial de fluido refrigerante (HFC-134a) é inserida na célula em vácuo, que

em seguida, é conectada ao sistema de refrigeração do refrigerador. A carga inicial para todos

os testes de validação foi de 90g. Com o refrigerador posicionado e a célula de carga e os

cabos conectados, a bomba de vácuo é conectada então ao sistema de refrigeração do

refrigerador, para retirar o máximo possível da umidade e ar de dentro de todos os

componentes do sistema. Depois que a pressão dentro do sistema de refrigeração atinge um

valor de 2,5 mbar, deixa-se a bomba de vácuo funcionar por mais 2 horas antes de desligá-la.

Refrigerador

300mm

350mm

Altura

2100mm

Figura VIII.2 – Vista superior do posicionamento padrão do refrigerador dentro da câmara de testes.

Câmara e Procedimento de Testes de Validação 199

Após a evacuação do sistema, a válvula de agulha é posicionada na abertura máxima.

O compressor do refrigerador é ligado e a carga de refrigerante é liberada para dentro do

sistema. Após 1 hora, é verificado o valor da pressão e temperatura na saída do evaporador e

condensador, para observar se a carga inicial e o ajuste da válvula de agulha forneceram

superaquecimento e sub-resfriamento. Normalmente, a carga inicial não fornece nível de

superaquecimento se sub-resfriamento, sendo necessária a adição de mais fluido refrigerante

dentro do sistema. São feitas adições de 5g de fluido refrigerante até que se atinja um nível

desejado de superaquecimento (em torno de 2°C).

O sub-resfriamento é alcançado regulando a válvula de agulha até um valor desejável

(em torno de 3°C).

Atingidos os níveis exigidos de superaquecimento e sub-resfriamento, aguarda-se até

que todos os parâmetros medidos entrem em regime permanente. O critério para esta condição

é definido com base nas temperaturas e pressões:

• Temperaturas: não exibir uma variação maior que 0,5°C num intervalo de 30

minutos;

• Demais variáveis medidas: não exibir uma variação maior que 5% num

intervalo de 30 minutos.

Depois de se atingir o regime permanente, as medições de todas as variáveis são

gravadas no microcomputador do sistema de aquisição, para um intervalo de 2 horas, com

uma taxa de aquisição de 1 ponto a cada 5 segundos.

Os testes de validação foram realizados para duas condições de temperatura dentro dos

compartimentos refrigerados: i) temperaturas mínimas e ii) temperaturas de projeto. O

procedimento apresentado nesta seção descreve os passos necessários para atingir a condição

de temperatura mínima dentro dos compartimentos. O procedimento para obter a condição de

temperatura de projeto é idêntico ao anterior. A única diferença é que as potências das

resistências do congelador e do refrigerador devem ser ajustadas de maneira que o calor

liberado por elas seja tal que as temperaturas internas dentro dos compartimentos se

aproximem das temperaturas padrão de projeto: -18°C para o congelador e 5°C para o

refrigerador. As potências a serem impostas foram sempre estimadas pelo código de

simulação do refrigerador, economizando um tempo razoável no ajuste dessas potências, já

que não se conhece de antemão um valor aproximado das potências para fornecer as

temperaturas de projeto.

Apêndice IX - Resultados Experimentais dos Testes de

Validação

Tabela IX.1– Resultados de validação para o sistema de refrigeração com o evaporador Original 52.

Teste

Variável Unidade

#1 - Temp.

Mínimas

#2 - Temp.

de Projeto

#3 - Temp.

de Projeto

#4 - Temp.

de Projeto

Temperatura do compartimento do

Refrigerador

[°C] -10,3 5,2 5,6 3,9

Temperatura do compartimento do

Congelador

[°C] -28,3 -19,8 -19,3 -20,9

Temperatura ambiente da Câmara [°C] 33,1 33,3 33,4 32,8

Potência dissipada no compartimento

do Refrigerador

[W] 0 40,4 40,9 40,5

Potência dissipada no compartimento

do Congelador

[W] 0 40,3 40,4 40,4

Potência consumida pelo Compressor [W] 104,7 135,6 141,5 137,5

Temperatura do fluido refrigerante na

Entrada do Evaporador

[°C] -33,7 -25,8 -24,7 -25,5

Temperatura do fluido refrigerante na

Saída do Evaporador

[°C] -31,0 -21,7 -22,5 -24,1

Temperatura do fluido refrigerante na

Saída do Condensador

[°C] 41,5 44,4 48,7 46,2

Pressão do fluido refrigerante na

Sucção do Compressor

[bar] 0,65 0,94 1,0 0,96

Pressão do fluido refrigerante na

Descarga do Compressor

[bar] 11,6 13,4 14,5 13,2

Diferença de pressão do ar entre a

entrada e saída do Evaporador

[Pa] 6,1 5,9 5,6 4,8

Temperatura do fluido refrigerante na

Entrada do Compressor

[°C] 52,8 52,9 56,1 52,1

202 Resultados Experimentais dos Testes de Validação

Tabela IX.2 – Resultados de validação para o sistema de refrigeração com o evaporador EFA Reto 30.

Teste

Variável Unidade

#5 - Temp.

Mínimas

#6 - Temp.

de Projeto

Temperatura do compartimento do Refrigerador [°C]

-11,4 4,7

Temperatura do compartimento do Congelador [°C]

-27,0 -20,3

Temperatura ambiente da Câmara [°C]

33,1 33,4

Potência dissipada no compartimento do Refrigerador [W]

0 34,2

Potência dissipada no compartimento do Congelador [W]

0 35,8

Potência consumida pelo Compressor [W]

109,0 133,1

Temperatura do fluido refrigerante na Entrada do Evaporador [°C]

-31,5 -25,9

Temperatura do fluido refrigerante na Saída do Evaporador [°C]

-29,3 -23,9

Temperatura do fluido refrigerante na Saída do Condensador [°C]

44,9 48,1

Pressão do fluido refrigerante na Sucção do Compressor [bar]

0,70 0,92

Pressão do fluido refrigerante na Descarga do Compressor [bar]

12,0 13,3

Diferença de pressão do ar entre a entrada e saída do

Evaporador

[Pa]

1,9 1,7

Temperatura do fluido refrigerante na Entrada do

Compressor

[°C]

57,2 55,4

Resultados Experimentais dos Testes de Validação 203

Tabela IX.3 – Resultados de validação para o sistema de refrigeração com o evaporador EFA 1/5 30.

Teste

Variável Unidade

#7 - Temp.

Mínimas

#8 - Temp.

de Projeto

Temperatura do compartimento do Refrigerador [°C]

-5,8 9,2

Temperatura do compartimento do Congelador [°C]

-22,5 -17,5

Temperatura ambiente da Câmara [°C]

33,7 33,9

Potência dissipada no compartimento do Refrigerador [W]

0 45,8

Potência dissipada no compartimento do Congelador [W]

0 0

Potência consumida pelo Compressor [W]

105,0 121,1

Temperatura do fluido refrigerante na Entrada do Evaporador [°C]

-32,0 -27,9

Temperatura do fluido refrigerante na Saída do Evaporador [°C]

-28,2 -23,5

Temperatura do fluido refrigerante na Saída do Condensador [°C]

43,6 46,7

Pressão do fluido refrigerante na Sucção do Compressor [bar]

0,68 0,83

Pressão do fluido refrigerante na Descarga do Compressor [bar]

12,3 13,4

Diferença de pressão do ar entre a entrada e saída do

Evaporador

[Pa]

10,8

8,3

Temperatura do fluido refrigerante na Entrada do

Compressor

[°C]

56,1

56,6

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