Análise da formação de gelo e geada e seu efeito no desempenho termo-hidráulico de evaporadores do tipo tubo aletado

Abstract

Os programas governamentais de eficiência energética têm se tornado cada vez mais exigentes quanto à utilização racional e eficiente das fontes de energia, com ações que forçam os fabricantes a desenvolverem produtos de alto desempenho e estimulam os consumidores a adquiri-los. No segmento de refrigeração comercial, responsável por uma significativa parcela do consumo energético nacional, os equipamentos trabalham geralmente com temperaturas de evaporação próximas a -10°C, o que favorece o acúmulo de geada sobre a superfície do evaporador. Dependendo da espessura da camada de geada, observa-se uma drástica redução na taxa de transferência de calor, devida aos efeitos combinados da baixa condutividade térmica da geada e do aumento da perda de carga no lado do ar. Esse último causa um impacto marcante sobre a vazão de ar em circulação. No entanto, a maioria dos trabalhos disponíveis na literatura despreza tal efeito, independentemente da redução da área de passagem do escoamento de ar. Dessa forma, o presente trabalho se propõe a investigar o impacto da formação de geada sobre a capacidade de refrigeração de sistemas comerciais, considerando o acoplamento hidrodinâmico do par evaporador-ventilador. Um aparato experimental capaz de controlar as principais variáveis envolvidas no fenômeno foi construído para obtenção de uma base de dados experimental. Adicionalmente, empregando os princípios de conservação da massa, energia e quantidade de movimento, desenvolveu-se um modelo matemático para simular o crescimento da camada de geada sobre a superfície do evaporador considerando o acoplamento existente entre o ventilador e o evaporador. A base de dados foi empregada para obtenção de uma correlação inédita para a densidade da geada. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com a base de dados, permanecendo dentro da faixa de incerteza das medições. Verifica-se que a elevação do grau de super-resfriamento provoca o aumento da taxa de transferência de massa e a redução da densidade da geada, resultando em uma camada de geada mais espessa. Foram observadas reduções de até 40% na taxa de transferência de calor devido à formação de geada. Adicionalmente, verificou-se que o ventilador e o evaporador devem ser projetados de forma acoplada a fim de manter a capacidade de refrigeração durante um maior período de tempo.

This study presents a numerical and experimental analysis of the thermal-hydraulic performance of tube-fin evaporators for light commercial refrigeration systems under frosting conditions. Since such a kind of appliance is generally designed with air curtains or subjected to frequent door opening, a certain amount of the ambient air infiltrates into the refrigerated space. This promotes the growth of a frost layer on the evaporator surface, which may completely block the gap between the fins if a proper defrost operation does not take place. The frost layer reduces the system cooling capacity by adding an extra thermal resistance to the evaporator tubes and also by reducing the fan-supplied air flow rate. In this study, a closed-loop wind tunnel was used to measure the thermal performance of tube-fin evaporators with different geometries. The air temperature and humidity at the inlet of the evaporator were controlled by the wind tunnel system, while a secondary refrigeration loop was used to set the evaporator surface temperature. The air flow rate was controlled by a variable-speed fan which emulates the real fan behavior. Moreover, frost thickness measurements were also carried out by using a digital camera equipped with zoom lens. The numerical results were compared with the experimental accumulated mass of frost, air pressure drop, air flow rate and cooling capacity, with all the predictions falling within the experimental band of uncertainties. Based on this comparison, a new correlation for the frost density was developed to be specifically applied to light commercial refrigeration products. The results show evaporator cooling capacity reductions up to 40% due to frost formation process. It was observed that the effect of the reduction of the air flow rate on the evaporator cooling capacity surpasses that of the extra thermal insulation of the frost layer. Furthermore, it was observed that, after a reasonable amount of frost has been grown, the louvered-fin evaporator showed a 10% lower cooling capacity when compared to the wavy-fin evaporator with the same fin pitch. These results indicate that under frosting conditions the pair fan-evaporator must be designed as a coupled system, in order to maintain the original refrigeration capacity for longer periods, increasing the time between successive defrosting processes and, therefore, improving the thermal performance of the entire system.