Tecnicas de modelagem, simulação e otimização de processos de refrigeração e de congelamento

Neste trabalho são desenvolvidas a modelagem, a simulação e a otimização de um sistema de refrigeração aplicado para o congelamento de produtos alimentícios. O estudo é dividido em duas etapas: a primeira parte procura identificar os fenômenos termo dinâmicos típicos de uma planta de refrigeração, juntamente com o desenvolvimento de uma metodologia de simulação e de otimização termo econômica da planta. A segunda parte identifica o comportamento termodinâmico da carga térmica de um equipamento de congelamento, juntamente com o desenvolvimento de uma metodologia de otimização do perfil de temperatura do produto. Inicialmente é feita a modelagem das propriedades termo dinâmicas do fluido refrigerante, compreendendo as regiões de líquido subresfriado até a região de vapor superaquecido, possibilitando um estudo mais criterioso do perfil de temperatura do fluido no interior do circuito de refrigeração. O algoritmo básico de simulação destas transformações termodinâmicas apresenta características de versatilidade que favorecem o desenvolvimento de novas configurações da planta de refrigeração. O modelo de simulação do circuito de refrigeração é posteriormente desenvolvido com o objetivo de identificar o comportamento tennodinâmico do sistema de refrigeração operando com fluidos refrigerantes puros e também com misturas não-azeotrópicas que apresentam um alto desempenho tennodinâmico e são consideradas como fluidos não agressivos ao meio ambiente. Esta metodologia de simulação possibilita a análise do comportamento tennodinâmico do sistema, mantido sob diferentes condições de operação de regime de estado estacionário. A simulação do circuito termodinâmico possibilita a modelagem das unidades básicas da planta de refrigeração através da inserção de modelos fisicos típicos que representam os trocadores de calor, o compressor e a válvula de expansão. Este modelo da planta de refrigeração foi denominado INCICLO, sendo caracterizado pela sensível capacidade de identificação do desempenho termo dinâmico do fluido refrigerante que opera no sistema, possibilitando, ainda, o dimensionamento das unidades do sistema, bem como a análise do consumo de energia da planta. Além disso, desenvolve-se um estudo de otimização do consumo de energia da planta de refrigeração, levando em consideração os fatores de custo das unidades da planta e o consumo de energia do sistema, procurando minimizar as irreversibilidades inerentes da operação do sistema de refrigeração. Finalmente, apresenta-se um estudo de otimização do perfil de carga térmica de um sistema de congelamento de alimentos procurando identificar as condições de operação do equipamento que favorecem a manutenção dos atributos de qualidade do produto congelado. Este procedimento é considerado de importância fundamental para a identificação das variáveis operacionais ótimas da planta de refrigeraçãoIn this work the modelling, the simulation and the optimisation of a refrigeration system applied to food freezing processes are developed. The study is divided in two stages: the first part tries to identify the typical thermodynamic behaviour of a refrigeration plant, together with the development of a methodology for simulation and for a thermoeconomic optimisation procedure applied to this plant. The second part identifies the thermodynamic behaviour of the thermal load of a freezing equipment, together with an optimisation methodology of the product temperature profile. Initially, the modelling of the thermodynamic properties of the refrigerant fluid is carried out, considering the regions of the subcooling liquid up to the superheating vapour regions, providing a more detailed study of the temperature profile of the fluid inside the refrigeration cycle. The basic simulation algorithm of these thermodynamic transformations presents versatility characteristics that facilitate the development of new design configurations of the refrigeration plant. The modeI of simulation of the refrigeration cycle is developed later on with the aim of identifying the thermodynamic behaviour of the refrigeration system operating with pure refrigerant fluid and also with nonazeotropic mixtures, which present a high thermodynamic performance and are considered as non aggressive fluids for the environment. This simulation methodology facilitates the thermodynamic analysis of the system, maintained under different operating conditions at steady state. The simulation of the thermodynamic cycle enables the modelling of the basic units of the refrigeration plant through the use of typical physical models which represent the heat exchangers, the compressor and the expansion valve. This modeI of the refrigeration plant was named INCICLO, being characterised by its sensible capacity to identify the thermodynamic performance of the refrigerant fluid that operates in the system, and still facilitating the sizing of the system units, as well as the analysis of the plant energy consumption. Besides, an optimisation study of the plant energy consumption was developed, taking into consideration the factors of unit costs and the energy consumption of the system, trying to minimise the irreversibilities inherent of the refrigeration processo. Finally, in this work is presented an optimisation study ofthe heat load profile applied to food freezing process, trying to identify the operating conditions of the equipment that maintain the quality attributes of the frozen product. This procedure is considered of great importance to identify the optimal operational conditions of the refrigeration plan