Avaliação teórica e experimental da utilização de condensadores de microcanais em refrigeradores domésticos

Dissertação (mestrado) Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.Condensadores são componentes fundamentais nos sistemas de refrigeração por compressão mecânica de vapor. Nesses componentes calor é transferido para o meio ambiente, com reflexos significativos sobre o coeficiente de performance do sistema. A taxa de dissipação de calor depende, essencialmente, do tipo, da geometria e do regime de escoamento. Trocadores de calor de microcanais, embora largamente usados na indústria automobilística, não eram normalmente empregados em refrigeração doméstica, devido ao elevado custo. No entanto, com a queda recente de custo, esses trocadores de calor passaram a ser uma alternativa de projeto, principalmente porque, além de compactos, permitem elevadas taxas de transferência de calor por unidade de volume. Dentro desse contexto, realizou-se esse trabalho, com foco na análise matemática e experimental do desempenho de trocadores de calor de microcanais sobre o desempenho de um modelo específico de refrigerador doméstico. Na frente matemática desenvolveu-se um modelo para estimar a taxa de transferência de calor e a queda de pressão em trocadores de calor de microcanais. Tal modelo foi incorporado em uma plataforma de simulação de refrigeradores domésticos, permitindo assim o estudo do impacto da geometria do trocador sobre o consumo de energia do produto. Na frente experimental, foram realizados testes com diferentes amostras de trocadores de calor, os quais foram utilizados para validar o modelo matemático do condensador. Testes foram também realizados com o refrigerador, tanto para obter algumas condições de contorno do problema como para gerar dados para a necessária validação do modelo matemático do sistema. As previsões dos modelos foram comparadas com os resultados experimentais, quando se observou um razoável nível de concordância em ambos os casos. A transferência de calor e a queda de pressão foram previstas pelo modelo matemático do condensador com erros da ordem de ±10% e ±20%, respectivamente. A plataforma de simulação do refrigerador doméstico, que foi validada a partir dos ensaios realizados com os condensadores no refrigerador, previu o consumo de energia com erros menores que 3,4%. Análises de sensibilidade foram ainda realizadas com o modelo do refrigerador, quando se percebeu que a utilização de um condensador de microcanais com 20 passes, 200 mm de altura, 180 mm de comprimento, 77 mm de profundidade, 200 aletas por metro e com 46 canais de 1,2 mm de diâmetro, provoca uma queda de aproximadamente 13% no consumo de energia comparado ao sistema refrigeração utilizando o condensador original.Abstract : Condensers are fundamental components of mechanical refrigeration systems. In these components the heat is transferred to the environment, with significant impacts on the coefficient of performance. The heat dissipation rate depends essentially on the type, the geometry and the flow regime. Microchannel heat exchangers, although widely used in the automotive industry, were not normally used in domestic refrigeration because of the high cost. However, with the recent low cost options, these heat exchangers have become a tangible option, mainly because, in addition to their compact design, they allow high rates of heat transfer per unit of volume. In the context, this work was carried out focusing on the numerical and experimental analysis of the performance of microchannel heat exchangers of a specific domestic refrigerator model. Therefore, a numerical model was developed to estimate the heat transfer rate and the pressure drop in microchannel heat exchangers. This numerical model was incorporated into a simulation platform for domestic refrigerators, allowing the study of the impact of the heat exchanger geometry versus energy consumption of the product. At the experimental work, tests were carried out with different samples of condensers, which were used to validate the mathematical model. Tests were also performed with the refrigerator, both to obtain some boundary conditions of the problem and to generate data for the validation of the mathematical model of the system. The predictions of the models were compared with the experimental tests, resulting in a reasonable level of agreement in both cases. The heat transfer rate and the pressure drop were estimated with deviations within a ±10% and ±20% error band, respectively. The system model for domestic refrigerators, that was validated with the experimental tests data with a set of different condenser configurations, predicted the energy consumption with less than 3,4% error band. Sensitivity analyzes were also carry out with the refrigerator model, when it was showed that a microchannel condenser with 20 passes, 200 mm height, 180 mm length, 77 mm width, 200 fins per meter and with 46 microchannels of 1,2 mm in hydraulic diameter, causes an improvement of 13% in energy consumption