Investigação numérico-experimental do sistema hidráulico de máquinas de lavar louça

Abstract

Um dos principais desafios e oportunidades para melhorar o desempenho de lavadoras de louça consiste no gerenciamento do sistema hidráulico, composto por dutos de alimentação e braços que giram e distribuem água sobre a louça. Este trabalho apresenta uma análise numérica e experimental integrada desses sistemas hidráulicos. Nesse sentido, um modelo de parâmetros concentrados (MPC) foi desenvolvido para prever a resposta do sistema em diferentes condições de operação, no qual a perda de carga em cada componente é representada por correlações. Perdas de carga distribuídas são estimadas de correlações disponíveis na literatura e perdas localizadas em componentes de geometria complexa são determinadas através de um modelo CFD validado experimentalmente. Além disso, uma bancada experimental foi construída para medir a vazão individual dos braços aspersores e a potência e a corrente consumidas pela bomba. Os resultados de vazão dos braços do MPC diferiram em até 14% em relação aos dados experimentais. As principais fontes de erro verificadas foram vazamentos do sistema hidráulico devido a folgas e erros relacionados às próprias correlações de perda de carga. O transiente do sistema foi avaliado comparando a potência consumida pela bomba em diferentes rampas de aceleração, com diferenças inferiores a 9,1%. Uma abordagem numérico-experimental determinou a constante de torque do motor, possibilitando o MPC prever a corrente elétrica com erros inferiores a 10,7%. Uma análise experimental da dinâmica do reservatório foi também realizada, mostrando que parte da água se acumula no gabinete de lavagem de forma proporcional à velocidade de rotação da bomba, mas sem alterações significativas na dinâmica devido à presença de louça. Por fim, o potencial de aplicação do MPC é demonstrado na análise do efeito da alteração geométrica de dois componentes sobre o desempenho do sistema, indicando um aumento de até 12% na vazão em um braço aspersor, enquanto mantendo os níveis de potência elétrica e corrente consumidas pelo motor.

Abstract: One of the main challenges and opportunities for improving the performance of dishwashers lies in the management of the hydraulic system, which is composed of supply ducts and arms that rotate and distribute water over the dishes. This work presents an integrated numerical and experimental analysis of these hydraulic systems. In this regard, a lumped parameter model (LPM) was developed to predict the system response under different operating conditions, in which the head loss in each component is represented by correlations. Distributed head losses are estimated from correlations available in the literature and local head losses in components with complex geometry are determined through an experimentally validated CFD model. Furthermore, an experimental test bench was built to measure the individual flow rate of the spray arms and the power and current consumed by the pump. The flow rate results for the arms from the LPM differed by up to 14% compared to the experimental data. The main sources of differences verified were hydraulic system leaks due to clearances and errors related to the head loss correlations themselves. The system transient was evaluated by comparing the power consumed by the pump at different acceleration ramps, with differences of less than 9.1%. A numerical-experimental approach determined the motor torque constant, enabling the LPM to predict the electrical current with differences below 10.7%. An experimental analysis of the reservoir dynamics was also performed, showing that part of the water accumulates in the wash cabinet proportionally to the pump rotation speed, but without significant changes in the dynamics due to the presence of dishes. Finally, the potential application of the LPM is demonstrated in the analysis of the effect of geometric alteration of two components on the system performance, indicating an increase of up to 12% in the flow rate in a spray arm, while maintaining the levels of electrical power and current consumed by the motor.