Aplicação de trocadores de calor skin a congeladores horizontais: um estudo numérico e experimental

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019.Nos últimos anos houve um aumento expressivo no número de refrigeradores e congeladores que utilizam trocadores de calor do tipo skin, principalmente devido ao baixo custo e apelo estético desse componente. No entanto, a carga térmica imposta ao produto aumenta, o que pode refletir em queda de performance. Além disso, quando evaporadores e condensadores skin são usados de forma simultânea, existe um curto-circuito térmico entre o condensador e o evaporador, o que também se reflete em queda de performance. Infelizmente, o número de publicações sobre esse assunto é bastante escasso. Os raros modelos matemáticos existentes são limitados, pois não permitem o acoplamento desse componente no ciclo de refrigeração. Dentro desse contexto, realizou-se um estudo numérico e experimental com o objetivo de analisar o efeito combinado de evaporadores e condensadores skin sobre o desempenho de um congelador horizontal típico. Para tanto, o sistema foi devidamente instrumentado com termopares e sensores de vazão mássica, pressão e potência e submetido a testes de consumo de energia em uma câmara climática, mantida a 16, 25, 32 e 43 °C. O efeito dos trocadores de calor sobre a fração de funcionamento do compressor foi mapeado, variando-se, para cada temperatura ambiente, a banda do termostato em seis níveis. Em praticamente todas as situações, o modelo previu os dados experimentais com erros inferiores a ±10%. Percebeu-se também que a carga térmica do produto aumenta em média 11% pelo uso dos trocadores skin. Através de um modelo matemático desenvolvido para o sistema de refrigeração, verificou-se um espaçamento ótimo entre os tubos de cada trocador que, aliado à substituição da fita de polietileno por uma de alumínio, promove uma redução de 46% e 70% no comprimento do condensador e do evaporador, respectivamente, e reduz o consumo de energia em 7%, para a temperatura ambiente de 32 °C e do gabinete de -18 °C. Adicionalmente, elevar a espessura do isolamento de 86 para 100 mm reduz o curto-circuito térmico dos trocadores skin para 1,5%, nas mesmas condições de operação.Abstract: Skin type heat exchangers have been recently brought back into the spotlight due to the renewed interest from the domestic appliance industry, due to their low manufacturing cost, simplicity and even aesthetic appeal. However, this class of heat exchangers has an inherent drawback of increasing the thermal load over systems, which, leads performance loss when comparing to other type of heat exchangers. Literature provides just a handful of studies regarding this subject and existing model focuses exclusively on the condenser. Given this context, a theoretical and experimental studies were carried out aiming the combination effects between skin condensers and skin evaporators using a specific domestic appliance as a baseline. The refrigeration system was modelled assuming that the insulation has a constant temperature in its central plane between both heat exchangers. In parallel, the baseline configuration was instrumented with thermocouples, a mass flow rate sensor and pressure and power transducers, and tested using a normalized cold chamber with ambient temperatures of 16, 25, 32 and 43 °C. The effect of the heat exchangers on the compressor run-time-ratio was analysed by setting 6 different internal temperature levels through a thermostat, for each ambient temperature. The system model was validated against the experimental data and deviations within a ±10% error band were observed for most cases. Theoretical analysis shows that the thermal load suffered an average 11% increase due to the interaction between both heat exchangers. At an ambient temperature of 32 °C and freezer temperature of -18 °C, optimizing the tube pitch for both heat exchangers while replacing the baseline plastic tape for aluminium promoted 46% and 70% reduction in condenser and evaporator length, respectively, and also decreased energy consumption by 7%. Furthermore, increasing the insulation thickness from 86 to 100% reduced the thermal penalty to only 1.5% for the same operating conditions