Análise de circuito de termossifão bifásico aplicado à parte fria de sistemas stirling de refrigeração: [dissertação]

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico. Programa de Pós-graduação em Engenharia MecânicaNeste trabalho investigou-se o desempenho de um circuito de termossifão bifásico (CTB), utilizando dióxido de carbono como fluido refrigerante e operando nas condições típicas do lado frio de uma maquina Stirling de refrigeração (FPSC). A característica fundamental do problema reside no transporte de uma taxa de transferência de calor de 600W de um ambiente a ser refrigerado (gabinete) para uma superfície cilíndrica que corresponde a uma das extremidades de uma maquina stirling. O evaporador do CTB troca calor com o ar dentro do gabinete, enquanto que o condensador troca calor com a extremidade fria do FPSC. O trabalho divide-se em duas partes, uma experimental e outra numérica. Na parte experimental construiu-se uma bancada de testes para controlar e medir as condições de operação tanto do condensador como do evaporador. Para simular o escoamento de ar construiu-se um circuito fechado de circulação de ar, com temperatura e vazão controladas. Para simular as condições de operação da extremidade fria de um FPSC utilizou-se um trocador de calor acoplado a superfície interna do condensador. Neste trocador de calor ocorre a evaporação de um fluido, que permite uma condição de temperatura uniforme na superfície do condensador. Durante os experimentos foram variados a carga de refrigerante, a diferença de temperatura das fontes quente e fria, a diferença de altura entre condensador e evaporador, a vazão de ar em circulação e o diâmetro das tubulações. Na parte numérica desenvolveu-se um modelo aplicando as leis de conservação da massa, quantidade de movimento e energia para cada componente. As regiões bifásicas foram modeladas considerando o escoamento como homogêneo. Os coeficientes de transferência de calor nas regiões bifásicas e monofásicas foram determinados através de correlações semi-empíricas disponíveis na literatura. Os resultados experimentais mostraram que existe uma carga de refrigerante onde o CTB opera com capacidade de refrigeração máxima. Percebeu-se também que o aumento da diferença de temperatura promove um leve aumento da capacidade de refrigeração, porém as custas de uma queda na condutância térmica global. Além disso, verificou-se que a vazão de ar afeta fortemente o desempenho do sistema. Os resultados gerados pelo modelo numérico, quando comparados com os resultados experimentais, conseguiram enquadrar 85% dos pontos simulados dentro de uma banda de erro de ± 20%, o que foi considerado aceitável devido a simplicidade do modelo e a complexidade do problema em questão. This work investigated the performance of a two-phase loop thermosyphon (TPLT), using carbon dioxide as refrigerant fluid and operating under typical conditions of a Free-Piston Sitrling Cooler (FPSC). The basic characteristic of the problem inhabits in the transport of a heat transfer rate of 600W from a refrigerator cabinet to a cylindrical surface that corresponds to the cold head of a FPSC. The evaporator of the TPLT cools the air inside the cabinet, whereas the condenser transfers the heat absorbeb on the evaporator to the cold head of the FPSC. This work is divided into two parts, an experimental approach and a numerical one. In the experimental approach a test bench was constructed in such a way that it can control and measure the operating conditions of the condenser and the evaporator. To simulate the cabinet air, a closed circuit of wind tunnel type was constructed, with controlled temperature and airflow rate. To simulate the operating conditions of the cold cold head of a FPSC a heat exchanger was coupled to the internal surface of the condenser. In this heat exchanger, the evaporation of a fluid occurs leading to an uniform temperature condition in the inner surface of the condenser. During the experiments there had been varied the refrigerant charge, the temperature difference between the hot and cold heat sources, the height difference between the condenser and the evaporator, the airflow rate and the tubing diameter. In the numerical part, a model was developed applying the principles of mass, momentum and energy conservation for each component. The two-phase regions were considered as an homogeneous flow. The single-phase and two-phase heat transfer coefficients were determined through available experimental correlations in literature. The experimental results had shown that there is a refrigerant charge where the TPLT operates with a maximum refrigeration capacity. It can be noticed that the increase of the temperature difference slightly increases the refrigeraton capacity, however the overall thermal conductance drops. Moreover it was verified that the airflow strongly affects the performance of the system. The results generated from the numerical simulations, when compared with the experimental results, fitted 85% of the simulated points inside an error band of ± 20%, which was considered acceptable given the simplicity of the model and the complexity of the problem studied