Comparação de desempenho e aplicação de trocadores de calor de tubos elípticos aletados, otimizados globalmente, empregados em sistemas de climatização

Orientador : Prof. Dr. Rudmar Serafim MatosDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 08/08/2011Bibliografia: fls. 101-103Área de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica dos solosResumo: Este trabalho tem como objetivo comprovar experimentalmente a superioridade técnica e relevância da utilização de tubos com perfil elíptico em trocadores de calor, principalmente no que diz respeito aos de perfil circular. Com base nos resultados preliminares de simulações e análises experimentais em laboratório, foi confeccionado um protótipo de trocador de calor, com as características geométricas otimizadas em trabalhos anteriores, sendo posteriormente utilizado como um evaporador de sistema de climatização residencial tipo Split, comparando seu desempenho em diferentes situações de trabalho, com o sistema empregando o evaporador de tubos circulares original. Para parametrizar as comparações, os evaporadores ocuparam a mesma unidade evaporadora, com exatamente o mesmo formato externo, a ser composto pelo mesmo número de tubos, de forma a seguir o mesmo circuito de circulação do fluido refrigerante, representando o único componente a ser substituído em todo o aparato experimental. Para minimizar a diferença tecnológica entre o processo de fabricação empregado em ambas as situações (protótipo construído artesanalmente e o trocador de calor original fabricado em larga escala) foi confeccionado um terceiro trocador de calor, com as mesmas características geométricas do trocador de tubos circulares original, porém utilizando as características de fabricação artesanal. As análises prévias mostraram que a eficiência térmica máxima e mínima perda de carga do fluido externo, ocorrem quando a otimização da disposição dos tubos e densidade de aletas é aplicada. Todas estas variáveis foram previamente parametrizadas e representadas por números adimensionais. A análise comparativa da transferência de calor dos conjuntos ocorreu com a verificação da eficiência do sistema, através do COP (Coeficiente de Performance). O experimento se deu através da operação do sistema instalado como indicado pelo fabricante, com a unidade evaporadora localizada dentro de uma câmara climatizada, com a possibilidade de se variar a temperatura, bem como a velocidade do ar através do trocador de calor. A interpretação das condições termodinâmicas do ar antes e após o evaporador com base no fluxo de massa e no consumo de energia elétrica pelo compressor complementou as análises de eficiência do sistema. Todos os resultados dos testes, comparando os protótipos de trocadores de calor mostram ganhos de eficiência energética da ordem de 10 a 15% quando do uso de tubo elíptico, em regimes de operação de maior vazão de ar.Abstract: This paper has as objective to prove experimentally, the relevance and technical superiority of the use of pipes with elliptical profile in heat exchangers, mainly with regard to the ones of circular profile. Based in preliminary results of simulations and experimental analyzes in laboratory, was confectioned a heat exchanger prototype, with the geometric characteristics optimized in previous works, being later used as an evaporator in a domestic Split type air conditioned system; comparing its performance in different work situations, with system using the conventional evaporator. To parameterize the comparisons, both evaporators had occupied the same cold unit, with exactly same external format, being composed by the same number of pipes, following same cooling fluid circulation way, representing the just one component to be substituted in all the experimental apparatus. To minimize the technological difference between the fabrication process employed in both situations (handmade prototype and baseline) was done a third one heat exchanger, with de same geometrical characteristics, but employing the same fabrication characteristics. The previous analysis (numerical simulations and laboratory assays) show that maximum thermal efficiency and minimum external fluid pressure loss, happen when the optimized pipes disposal, and fin density is applied. All these variables had been previously parameterized and represented for dimensionless numbers. The analysis of the heat transference of both assemblies happened through the verification of the efficiency of a residential Split HVAC system, using each one of the evaporators, the main comparative element was the system COP (Coefficient of Performance). The experiments had given through the system operation, installed as indicated by the manufacturer, with the cold unit located inside a acclimatized chamber; in it was possible to change the temperature, as well as the air speed through the heat exchanger. The interpretation of the thermodynamic air conditions before and after the evaporator, based in mass outflow, and in the electric energy consumption of the compressor had complemented the system efficiency analyzes. All the tests results extrapolations, comparing the tree heat exchanger had shown significant profits of energy efficiency by the order of 10 - 15%, for the bigger air flow regimen