Investigação numérica e experimental do desempenho de condensadores do tipo skin em refrigeradores domésticos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014.Neste trabalho realizou-se um estudo numérico e experimental sobre o desempenho de condensadores skin aplicados a refrigeradores domésticos. Um modelo matemático foi desenvolvido considerando tanto a transferência de calor para o ambiente externo como para os compartimentos refrigerados. Um modelo bidimensional, utilizando a técnica dos volumes finitos, foi utilizado para subsidiar o desenvolvimento do modelo matemático. O modelo desenvolvido considera a transferência de calor através do tubo, da fita metálica, da chapa externa e da camada de isolamento térmico. O modelo é capaz de estimar a taxa de transferência de calor a partir da geometria do condensador, das temperaturas do ambiente e dos compartimentos refrigerados, da vazão mássica de refrigerante e do estado termodinâmico do fluido refrigerante na entrada do condensador. Numa segunda etapa, o modelo do condensador foi incorporado a um modelo de simulação de sistemas de refrigeração. Dessa forma tornou-se possível avaliar o efeito das características do condensador sobre a capacidade de refrigeração, consumo de energia e coeficiente de performance. Uma base de dados experimentais foi obtida através de ensaios realizados com um refrigerador posicionado no interior de uma câmara com temperatura e umidade controladas e submetido a diferentes condições de funcionamento. Os ensaios foram realizados em regime permanente, ou seja, com o compressor funcionando ininterruptamente sob a ação de resistências elétricas colocadas no interior dos compartimentos refrigerados. Foram utilizados diferentes valores de temperatura ambiente, temperatura do gabinete, temperatura do congelador e rotação do compressor, os quais deram origem a dezesseis pontos experimentais. Além disso, foram registradas imagens termográficas para mapear os campos de temperatura nas paredes externas do refrigerador. As estimativas do modelo foram confrontadas com a base de dados experimentais quando se observou diferenças inferiores a 5%. As estimativas do modelo mostraram ainda que aproximadamente 60% do calor total é rejeitado para o ambiente externo e que os 40% restantes são transferidos para o interior dos compartimentos refrigerados. Além disso, identificou-se que mais de 80% do calor rejeitado para o meio ambiente ocorre por radiação. Os resultados da simulação do sistema de refrigeração permitiram concluir ainda que os parâmetros do condensador com maior efeito sobre o consumo de energia são a condutividade térmica e a espessura da chapa externa e do isolamento térmico. Ficou evidente também que a passagem dos tubos do condensador pela parede do congelador aumenta consideravelmente o consumo de energia.Abstract : The aim of this work is to numerically and experimentally investigate the performance of skin condensers applied to household refrigerators. To this end a two-dimensional CFD (Computational fluid Dynamics) code was firstly developed to support the development of the mathematical model. The developed model takes into account both the heat transfer to the ambient and to the refrigerated compartments by considering the heat transfer through the tube wall, aluminum tape, outer steel shell and insulation layer. The model predicts the heat transfer rates based on the internal and external temperatures, condenser geometry, refrigerant mass flow rate, pressure and temperature at the condenser inlet. In a second step, the condenser model was added to a simulation model of refrigerating systems. In this way it becomes possible to evaluate the effect of the condenser characteristics on the, cooling capacity, energy consumption and coefficient of performance. Steady-state tests ? compressor running continuously under the action of electric heaters placed inside the refrigerated compartments ? were carried out in different operating conditions with the product positioned within a climate-controlled chamber. The tests were carried out at different values of ambient temperatures, fresh-food compartment temperatures, freezer compartment temperatures and compressor speeds. Thermo graphic images of the temperature fields of the refrigerator outer steel shell were also recorded during the experiments. The model predictions were compared with the experimental database with the deviations falling inside a ?5% error band. It was shown that, independently of the operating conditions, the condenser rejects 60% of the heat to the ambient and the remaining 40% to the refrigerated compartments. It was also found that radiation is responsible by over 80% of the heat rejected to the ambient. It was also shown that the condenser parameters with the largest effect on the energy consumption are the thermal conductivity and thickness of the outer shell and thermal insulation layer. Furthermore, it was shown that there are some performance gains when the condenser tubes are not placed in the freezer walls