Análise teórico-experimental do desempenho de refrigeradores domésticos com condensadores do tipo hot-wall

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.No presente trabalho apresentou-se um estudo teórico-experimental sobre o desempenho de refrigeradores domésticos com condensadores do tipo hot-wall. Apesar do apelo estético, custo reduzido e do crescente uso desse tipo de trocador de calor ao longo dos últimos anos, existem poucos trabalhos disponíveis na literatura acerca do tema. Nesse contexto, 8 refrigeradores com diferentes configurações de condensadores hot-wall foram fabricados especificamente para este trabalho, nos quais foram variados o tipo de fita adesiva, o diâmetro do tubo, e o comprimento e o posicionamento do condensador. Os refrigeradores foram submetidos a testes de desempenho em regime permanente e de consumo de energia em operação cíclica. Os resultados experimentais mostraram que a temperatura ambiente e o tipo de fita adesiva foram os fatores que tiveram maior impacto sobre a pressão de condensação, a potência consumida pelo compressor e o coeficiente de performance do sistema. Além disso, desenvolveu-se um modelo matemático que calcula a taxa de transferência de calor no condensador, destacando a parcela que é liberada para o ambiente externo e a que infiltra nos compartimentos refrigerados. O modelo considera a participação da fita adesiva, da região de contato, da chapa externa e do isolamento térmico na transferência de calor. Posteriormente, o modelo do condensador foi integrado a um modelo de simulação do sistema, o que tornou possível avaliar os efeitos das características geométricas do condensador sobre o desempenho do refrigerador como um todo. Ambos os modelos matemáticos foram validados contra dados experimentais e erros inferiores a ±10% foram observados para a maioria dos casos. Foi possível identificar que a presença do condensador hot-wall aumentou em ±7,7% a carga térmica sobre os refrigeradores, em virtude do aquecimento das paredes. No que diz respeito à transferência de calor do tubo para a chapa externa, verificou-se que deve haver um balanço entre a condutividade térmica da fita adesiva e a área de contato entre o tubo e a chapa. Ambos os parâmetros têm papel extremamente importante na taxa de transferência de calor no condensador. Notou-se também que deve-se utilizar a maior área externa possível de chapa metálica para facilitar o processo de difusão de calor. Contudo, para que isso não prejudique o desempenho do refrigerador, é importante balancear a espessura do isolamento térmico dos compartimentos refrigerados para evitar o aumento da carga térmica imposta sobre o produto. Por fim, verificou-se que existe um número de passes de tubos do condensador que minimiza o consumo de energia do refrigerador.Abstract : A theoretical and experimental study on the performance of household refrigerators mounted with hot-wall condensers was presented herein. Despite the aesthetic appeal, low cost and growing use of this type of heat exchanger in the last years, only a few reports on this topic were found in the open literature. In this context, 8 refrigerators with different configurations of hot-wall condensers were specifically manufactured for this work. The following parameters were changed: adhesive tape, tube diameter, condenser lenght and its positioning. Steady-state and cyclic energy consumption tests were carried out with the refrigerators. It was observed that the ambient temperature and the type of adhesive tape were the parameters that impacted the most the condensing pressure, the compressor power and the system coefficient of performance. Furthermore, a mathematical model that considers the heat transfer to both the external environment and the refrigerated compartments was developed. The model considers the effect of the adhesive tape, the tube outer sheet contact area, the outer metal sheet and the thermal insulation to calculate the total heat transfer rate. Also, the condenser model was coupled to a household refrigeration system model, which allowed the analysis of the effect of different condenser geometries on the system overall performance. Both mathematical models were validated against the experimental data and deviations within a 10 % were observed for most cases. It could be found that the hot-wall condenser increased on average 7;7 % the system thermal load due to the increased wall temperature. Regarding the heat transfer from the condenser tube to the outer sheet, it was found that the tape thermal conductivity and the tube outer sheet contact area must be balanced, since they play a very important role in the heat transfer process. It was also noted that the largest possible area in the outer metal sheet must be used to attach the condenser tubes in order to increase the heat diffusion. However, the insulation thickness of the refrigerated comparments must be properly sized in order to avoid an increase in the thermal load. Lastly, it was found that there is a tube pitch that minimizes the system energy consumption