Um estudo sobre a aplicação de evaporadores de microcanais em refrigeradores frost-free

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021.A refrigeração doméstica enfrenta regulamentações energéticas cada vez mais rigorosas, o que estimula a constante busca por aumento de eficiência e redução de custos. O objetivo deste trabalho foi propor e avaliar um conceito de evaporador no-frost com a tecnologia de microcanais, atendendo às restrições e especificações de um refrigerador frost-free moderno. O trabalho foi dividido em quatro etapas: (i) avaliação isolada do evaporador, (ii) avaliação in loco sob condições secas, (iii) avaliação in loco sob condições de formação de geada e (iv) avaliação in loco sob operação de degelo. Na primeira etapa, o desempenho termo-hidráulico de dezesseis protótipos de evaporadores de microcanais foi caracterizado em um calorímetro túnel de vento, indicando o potencial da tecnologia a aplicações domésticas. Em seguida, o desempenho de um refrigerador frost-free dotado de evaporadores de microcanais foi avaliado sob condições secas, indicando aumentos na capacidade de refrigeração e reduções no consumo de energia quando comparados à tecnologia convencional. Na terceira etapa, os evaporadores foram submetidos a condições severas de formação de geada in loco, e um modelo matemático foi proposto e validado para otimizar o desempenho dos evaporadores tanto sob condições secas como úmidas. Os resultados indicaram que diversas configurações de evaporadores de microcanais superam o desempenho energético do tubo-aleta em condições secas, porém exigem processos de degelo mais frequentes. Neste contexto, a quarta e última etapa propôs e avaliou um novo conceito de degelo para evaporadores de microcanais. Os resultados mostraram que os evaporadores de microcanais podem atingir reduções no consumo de energia de até 2,6 % em comparação à tecnologia convencional, mesmo com um aumento da frequência de degelo. Além disso, desempenhos similares ao evaporador tubo-aleta foram alcançados com evaporadores de microcanais até 47 % menores em volume.Abstract: The domestic refrigeration sector is currently facing stricter energy regulations, which leads the industry to seek more cost-efficient components. This study proposed and evaluated a concept of no-frost evaporator using the so-called microchannel technology, which meets the restrictions and specifications of a modern frost-free refrigerator. The work was divided into four stages: (i) evaluation of the evaporator at component-level, (ii) in loco assessment under dry conditions, (iii) in loco assessment under wet conditions and (iv) in loco assessment under defrost. In the first stage, the thermo-hydraulic performance of sixteen microchannel evaporator prototypes was characterized in a wind tunnel calorimeter, indicating the high potential of such technology for domestic application. Then, in the second stage, the performance of a frost-free refrigerator with microchannel evaporators in place was evaluated under dry conditions, resulting in significant increases in cooling capacity and energy consumption savings when compared to finned-tube technology. In the third stage, the evaporators in place were subjected to severe frost formation conditions, and a mathematical model was proposed and validated to optimize the performance of the evaporators under both dry and wet conditions. The results showed that, in general, several microchannel evaporators geometries outperform the energetic performance of the finned-tube evaporators in dry conditions, however, they require more periodic defrosting processes. In this context, the fourth and final stage proposed and evaluated a new defrost concept for microchannel evaporators, allowing the evaluation of the overall system performance. Reductions in global energy consumption of up to 2.6 % have been achieved with microchannel evaporators. Similar finned-tube performances were achieved with microchannel evaporators geometries up to 47 % smaller