Eliminação de Condensados Formados no Evaporador

Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

Eliminao de condensados formados

no evaporador de refrigerao

Relatrio de Meia-Vida

Docente Coordenador: Jos Joaquim C. Barbosa

Tutor: Pedro Lobarinhas

Grupo 2 Discentes:

Miguel Machado

Carlos Dias

Jos Carvalho

Rui Costa

Marco Nogueira

Joo Paulino

Fabiano Silva

Srgio Costa

Rui Fernandes

Guilherme Simes

A52760

A63237

A65226

A68556

A68599

A68609

A68627

A68639

A68640

A68661

Integradora VI

Universidade do Minho

Guimares, Abril de 2015

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica Integradora VI Grupo 2

2

Resumo

A formao de condensados ao nvel do evaporador uma das principais causas de

avaria e constrangimentos dos dispositivos de refrigerao, pois o ar, caracterizado pela sua

temperatura e humidade relativa, ao entrar em contacto com o evaporador do mural frigorfico

atinge o ponto de orvalho condensando, e devido s temperaturas negativas existentes, conduz

formao de gelo nas alhetas. Sendo o gelo um bom isolante trmico, no permite a correta

permuta de calor entre o ar e o evaporador, sendo o trabalho realizado pelo mural frigorfico

ineficiente. Desta forma, com o estudo do funcionamento do mural frigorfico PRIMUS da

marca Jordo Cooling Systems pretende-se alcanar uma soluo para esta problemtica,

atravs da aplicao de princpios de transferncia de calor e de massa, e tendo como base

conhecimentos tericos dos ciclos termodinmicos.

Palavras-chave: Formao de condensados; Ponto de orvalho; Mural frigorfico;

Transferncia de calor e de massa.


3

Abstract

The condensates formation at the evaporator level is one of the main causes of

breakdown and constraints of refrigeration systems, because the air, characterized by its

temperature and relative humidity, contacting with the evaporator will reach the dew point, and

due to negative temperatures on the evaporator surface, ice will be formed on the fins. Since

the ice has low thermal conductivity, the exchange of heat between air and evaporator wont be

as good as it would be without ice, and so the work realized by the refrigerator wall will be

inefficient. By studying the way that the PRIMUS refrigerator wall from Jordo Cooling

Systems company works, the group intends to reach a solution for this problematic situation,

through the aplication of heat and mass transfer principles, and having as base theorical

knowledges of thermodynamic systems.

Key-words: Condensates formation; Dew point; Refrigerator wall; Heat and mass

transfer.


4

ndice

Resumo ........................................................................................................................... 2

Abstract ........................................................................................................................... 3

1. Introduo ................................................................................................................... 7

2. Estado da arte .............................................................................................................. 8

2.1. Mtodos de eliminao de condensados .............................................................. 8

3. Introduo ao Ciclo Terico de Carnot Invertido ..................................................... 10

4. Mural Refrigerado PRIMUS 90 da Jordo Cooling Systems .................................... 12

4.1. Modelo e suas caractersticas ............................................................................. 12

4.2. Componentes ...................................................................................................... 13

4.3. Funcionamento do mural Circuito do ar ......................................................... 13

4.4. Ciclo Real de Carnot do mural refrigerado ........................................................ 14

4.4.1. Propriedades Termodinmicas do ciclo de compresso de vapor .............. 14

5. Planeamento .............................................................................................................. 18

Concluso ...................................................................................................................... 19

Referncias Bibliogrficas ............................................................................................ 20

ANEXO A Componentes ........................................................................................... 23

ANEXO B Consumo energtico do equipamento ..................................................... 24

ANEXO C Ganhos trmicos do equipamento ........................................................... 27

ANEXO D Diagrama de Mollier do fluido R404a .................................................... 33


5

ndice de Figuras

Figura 1 Instalao de um sifo na linha de drenagem da gua de degelo [1] ............ 9

Figura 2 Funcionamento de uma mquina frigorfica ................................................ 10

Figura 3 Ciclo de refrigerao por compresso de vapor .......................................... 10

Figura 4 Diagramas de um ciclo ideal P-h ( esquerda) e T-s ( direita) [2] ............. 11

Figura 5 PRIMUS 90 da Jordo Cooling Systems ..................................................... 12

Figura 6 Circuito do ar no mural ................................................................................ 13

Figura 7 Ciclo Real de Carnot do mural refrigerado PRIMUS 90 ............................. 14

Figura 8 - Multmetro Kaise VA40B ............................................................................ 15

Figura 9 Diagrama P-h (adaptado de [4]) .................................................................. 16

Figura 10 - Diagrama T-s do fluido R404a ................................................................... 16

Figura 11 Temperaturas impostas sobre um ciclo de refrigerao (adaptado de [4]) 17

Figura 12 Consumo energtico dirio, em percentagem, de cada componente. ........ 25


6

ndice de Tabelas

Tabela 1 Medies de temperatura ............................................................................ 15

Tabela 2 Especificaes do multmetro ..................................................................... 15

Tabela 3 Propriedades termodinmicas nos pontos de medio ................................ 16

Tabela 4 Consumos para os diferentes componentes ................................................ 24

Tabela 5 Consumo/custo mensal mdio .................................................................... 25

Tabela 6 Consumo energtico real ............................................................................. 26

Tabela 7 Obteno do nmero de Nusselt para diferentes escoamentos ................... 28

Tabela 8 - Coeficientes de conveco natural (Tamb=20C; na zona inferior do mural

Tinf=32C; temperatura interna Tint=4C) .............................................................................. 29

Tabela 9 Dados condutivos[11] ................................................................................. 30

Tabela 10 Dados radiao (Coeficiente de radiao retirado atravs da expresso

h=A(Ts2+Te2)(Ts+Te)) ....................................................................................................... 30


7

1. Introduo

Desde os primrdios da civilizao que o ser humano tem a preocupao de conservar

os seus prprios alimentos de forma a ter reservas para a sua sobrevivncia. No incio, e no

existindo fontes de energia convencionais, os alimentos, como por exemplo, a carne, eram

preservados em sal. Com a evoluo da civilizao humana e com o aparecimento das fontes

de energia e consequentemente com a evoluo de mquinas trmicas, apareceram

eletrodomsticos com capacidade de conservar os alimentos eficientemente, como os

frigorficos e os murais frigorficos, utilizados em grande escala em hipermercados.

No que diz respeito aos murais frigorficos estes encontram-se bastantes desenvolvidos

nos dias de hoje, contudo, existe um problema inerente a este tipo de dispositivo para o qual

ainda no existe soluo. A formao de condensados a nvel do evaporador uma das

principais causas de avaria e constrangimentos dos dispositivos de refrigerao, pois o ar

caracterizado pela sua temperatura e humidade ao entrar em contacto com o evaporador do

mural frigorfico atinge o ponto de orvalho condensando, e devido s temperaturas negativas

existentes, conduz formao de gelo nas alhetas. Sendo o gelo um bom isolante trmico no

permite a correta permuta de calor entre o ar e o evaporador, sendo o trabalho realizado pelo

mural frigorfico ineficiente.

Para a realizao do presente trabalho, o grupo com auxlio prtico do mural frigorfico

existente no laboratrio de mecnica de fluidos da Universidade do Minho, da marca Jordo

Cooling Systems, tentar encontrar uma soluo para esta problemtica, aplicando princpios

transferncia de calor e de massa. Numa primeira fase, haver um estudo pormenorizado do

equipamento, atravs da identificao dos componentes existentes, da anlise da sua estrutura

rgida e do estudo dos princpios tericos de funcionamento, dos quais se destacam o estudo

dos ciclos termodinmicos inerentes ao fludo refrigerante. Por conseguinte, o grupo tentar

obter uma soluo prtica para a eliminao total de condensados do evaporador que, como

referido anteriormente, o principal objetivo do projeto. Paralelamente, incorporar-se- no

trabalho estudos inerentes a unidades curriculares presentes no ciclo de estudos, tais como,

dimensionamento de um dos componentes do aparelho e efetuar modelao numrica e

simulao computacional de um componente.


8

2. Estado da arte

A formao de condensados depende essencialmente da configurao dos tubos

alhetados e da velocidade do ar que circula atravs do evaporador. A formao de gelo, no

entanto, um fator que ocorre sempre para temperaturas negativas e, portanto, deve ser

considerado o seu efeito na capacidade de transferncia de calor do evaporador. Nos

evaporadores d-se a condensao do vapor de gua presente no ar e solidificao, formando

uma pelcula de gelo em torno dos tubos. Para temperaturas positivas e velocidades do ar

superiores a 3 m.s-1 a gua pode ser arrastada, usando-se velocidades inferiores se pretendermos

recolher os condensados junto ao evaporador. A velocidade com que circula o ar pode, alm de

ter efeito na troca de calor no evaporador, afetar tambm a transferncia de calor e de massa

junto dos produtos. Como ocorre condensao junto ao evaporador, a humidade relativa no

interior das cmaras influenciada pela diferena de temperatura entre a cmara e o evaporador.

A formao de gelo na serpentina do evaporador frequente uma vez que, a temperatura

de superfcie inferior temperatura de orvalho do ar, assumindo valores menores que 0C.

Esta formao de gelo prejudica o bom funcionamento da serpentina tendo efeitos como

o aumento da resistncia trmica e o aumento da resistncia circulao do ar.

Existe tambm o sistema no-frost que normalmente composto por um ventilador que

fora o movimento do ar, e eletronicamente controla a sua temperatura e a humidade,

prevenindo desta forma, a formao de gelo. Mesmo assim, necessrio periodicamente

efetuar-se a descongelao do aparelho.

2.1. Mtodos de eliminao de condensados

Ar

O degelo natural s possvel em unidades de refrigerao cuja temperatura superior

a 2C. Nestes casos possvel descongelar a serpentina recorrendo ao ar ambiente, para tal

necessrio interromper o fluxo de refrigerante recorrendo a um vlvula solenoide acionada

atravs de um rel cclico ou um microprocessador.

gua

Nestas situaes recorre-se a gua para efetuar a descongelao utilizando para efeito

uma tubagem que a conduz at parte superior dos evaporadores, onde aspergida sobre a

superfcie, at que todo o gelo tenha sido derretido. Para realizar esta operao, a temperatura

da gua deve ser superior a 18C e ter um caudal superior a 2-3 kg.s-1. Uma vez que a

temperatura da gua tem que ser superior a 18C, comum a utilizao do calor rejeitado pelo

condensador para a aquecer.


9

Eltrico

A descongelao dos evaporadores feita atravs de uma resistncia eltrica instalada

de forma a garantir um bom contacto trmico com as serpentinas dos evaporadores. O

controlador temporal dispara a vlvula solenoide que fecha o circuito de fluido e desliga os

ventiladores. So ento ligadas as resistncias que possibilitam a eliminao do gelo existente.

A este mtodo est associada uma grande perda de energia, por isso as resistncias apenas so

ligadas quando existe uma grande formao de gelo assim torna-se necessrio a utilizao de

um microprocessador que gere os perodos de ativao das resistncias.

Gs Quente

O degelo mais interessante, do ponto de vista energtico e econmico, com gs quente.

Resulta em ciclos de degelo bastante curtos, geralmente entre 10 a 20 minutos. Este mtodo

utiliza o vapor da descarga do compressor para aplicar calor diretamente sobre a superfcie dos

evaporadores. A temperatura de saturao deve ser mantida em nveis elevados, com uma

vlvula de controlo de presso instalada sada do evaporador, isto faz com que o degelo da

serpentina se comporte como um condensador. Tambm possvel utilizar com o aquecimento

da descarga dos compressores (superaquecimento), do vapor saturado proveniente da parte

superior do tanque lquido, permitindo tempos muito baixos de operao.

Anticongelante

Quando existe a possibilidade de formao de gelo devido s baixas temperaturas em

que operam as serpentinas, uma forma de prevenir passa por borrifar anticongelante (glicol ou

propileno de glicol) sobre a superfcie das serpentinas. O ar ao ser refrigerado desumidificado,

e como a soluo de anticongelante higroscpica necessrio um processo de regenerao

para remover parte da gua absorvida.

Aps a escolha do mtodo

necessria a instalao de um sifo do lado

externo ao espao refrigerado, Figura 1,

sendo que este permite a formao de um

tampo de gua que impede fugas de ar frio

para o exterior em disposies do ventilador

do tipo assopramento, ou admisso de ar

exterior quando se utiliza a disposio do

tipo aspirao.

Figura 1 Instalao de um sifo na linha de drenagem da gua de degelo [1]


10

3. Introduo ao Ciclo Terico de Carnot Invertido

Em sistemas de refrigerao, o ciclo de transformao realizado em sentido contrrio

ao de uma mquina trmica, sendo necessrio fornecer energia ao sistema visto que, o calor no

se transfere da zona fria para a zona quente de forma natural (Figura 2).

Para este efeito existem vrios ciclos de refrigerao, sendo os principais, o ciclo por

compresso, por absoro e ciclo por magnetismo. Sendo o principal o ciclo por compresso e,

devido a este ser usado em mquinas frigorficas como o mural em estudo, deste que se vai

falar.

O ciclo por compresso de vapor (Figura 3) possui cinco componentes bsicos: fluido

frigorigneo (neste caso, o R404a), evaporador, compressor, condensador e dispositivo de

expanso.

Figura 2 Funcionamento de uma mquina frigorfica

Figura 3 Ciclo de refrigerao por compresso de vapor


11

Descrevendo o seu percurso, o fluido frigorigneo, no estado de lquido saturado, passa

pelo dispositivo de expanso, tornando-o numa mistura lquido + vapor saturada (3-4), de

seguida passa pelo evaporador (4-1) onde, atravs da serpentina, remove o calor da cmara fria.

Completando esta fase, o fluido no estado de vapor saturado comprimido (1-2), elevando a

sua presso e a temperatura, para que no condensador (2-3) rejeite calor para o ambiente.

O ciclo de Carnot ocorre entre duas temperaturas, TH e TL, que so as temperaturas do

condensador e do evaporador respetivamente, sendo idealmente todos processos reversveis isto

, no existe atrito, no h trocas de calor, com diferena finita de temperatura, e as trocas de

calor so somente as indicadas no ciclo. O ciclo apresenta os seguintes processos:

Processo 1-2: Compresso isentrpica do vapor, no qual este processo adiabtico

(Q=0);

Processo 2-3: Transferncia de calor para o ar ambiente atravs do condensador a

presso constante - processo isobrico;

Processo 3-4: Expanso do vapor atravs de um capilar de expanso, processo

adiabtico e isentrpico (fig.4- 3-4) em que a presso e temperatura baixam

tornando o fluido numa mistura de lquido + vapor saturada;

Processo 4-1: Remoo de calor da cmara fria para o fluido frigorigneo, por meio

do evaporador, a presso constante.

Estes processos podem ser representados, atravs de diagramas P-h (presso-entalpia) e

T-s (temperatura-entropia), na Figura 4.

Segundo o Teorema de Carnot[3]: Nenhuma mquina trmica que opere entre uma dada

fonte quente e uma dada fonte fria pode ter rendimento superior ao de uma mquina de Carnot.

Todas as mquinas de Carnot que operem entre essas duas fontes tero o mesmo rendimento.

Figura 4 Diagramas de um ciclo ideal P -h ( esquerda) e T-s ( direita) [2]


12

Assim sendo, o mximo rendimento (Coeficiente de performance, COP) para uma mquina

frigorfica o rendimento para uma mquina de Carnot, dado pela expresso 1:

=

=

=

1

31> 1 (1)

4. Mural Refrigerado PRIMUS 90 da Jordo Cooling Systems

4.1. Modelo e suas caractersticas

O mural refrigerado PRIMUS (Figura 5) um expositor vertical plug-in com sistema de

refrigerao ventilado proposto em duas classes de temperaturas (para lacticnios e charcutaria)

e em seis dimenses standard 700/900/1300/1500/1900/2500 mm de comprimento. Esto

particularmente vocacionados para a exposio de produtos alimentares embalados, bebidas e

restaurao ligeira. Para melhorar a performance energtica no perodo noturno ou para

proteger os alimentos expostos, est disponvel como opo de fecho um estore, em folha de

alumnio retorcido manual com fechadura.

Com maior relevncia para o estudo, seguem-se as principais caractersticas do

equipamento:

Temperatura de funcionamento a 25C 60% HR: 3-6C

Superfcie de exposio: 3,43 2

Potncia frigorfica: 2 x 1497W

Potncia de iluminao mxima: 130W

Comprimento sem laterais: 1800mm

Espessura da lateral: 50mm

Potencia nominal mxima: 2738/154W

Figura 5 PRIMUS 90 da

Jordo Cooling Systems


13

4.2. Componentes

Os componentes principais encontram-se devidamente identificados no Anexo A,

juntamente com as suas especificaes tcnicas individuais.

4.3. Funcionamento do mural Circuito do ar

O circuito de ar (Figura 6) utilizado para que ocorra refrigerao de mercadoria

deteriorvel (alimentos, bebidas, etc.), visando a sua conservao temporria, descreve-se pela

entrada forada do ar ambiente (seta vermelha a cheio), atravs dos ventiladores do evaporador,

sobre a rea de transferncia de calor do evaporador (toda a superfcie exterior do evaporador),

fazendo com que o ar a ser refrigerado atravesse, de forma perpendicular, os tubos alhetados

do evaporador. Este ar aps refrigerao guiado pela

parede de fundo do mural, sendo libertado ao longo do

circuito (setas azuis), atravs das perfuraes existentes no

mesmo, contribuindo assim para o arrefecimento da

mercadoria existente no mural. Este arrefecimento pode ser

influenciado negativamente, tanto por uma cortina de

confronto entre o ar frio dentro do mural (setas a azul) e o ar

ambiente quente (setas a vermelho), como atravs da

transferncia de calor por radiao entre o meio exterior, o

que reduz o rendimento desta operao, exigindo assim

maior trabalho/energia por parte de todo o sistema, de forma

a compensar estes tipos de perdas. Para que a primeira

situao seja contornada, existe uma persiana em tela que

inibe o confronto entre os dois tipos de ar, fazendo com que

a temperatura intra-mural se mantenha mais estvel dentro

dos padres pretendidos, poupando assim esforos por parte

do sistema, resultando numa maior eficincia de todo o

processo. Partindo de medies experimentais sobre os

consumos energticos do equipamento, foi possvel comparar o consumo terico com o real,

presente no Anexo B, e os ganhos trmicos, no Anexo C.

Figura 6 Circuito do ar no mural


14

4.4. Ciclo Real de Carnot do mural refrigerado

O mural refrigerado PRIMUS 90 apresenta o mesmo funcionamento de um ciclo

simples, contudo funciona com dois circuitos em paralelo. Desta forma, possui dois

compressores a fornecer trabalho com a mesma potncia, assim como os restantes componentes

do ciclo tm as mesmas caractersticas. O desempenho global do equipamento resulta da soma

dos desempenhos dos dois circuitos individuais, tendo ambos um desempenho

aproximadamente igual. Na Figura 7, encontra-se esquematizado o circuito termodinmico do

mural refrigerado.

4.4.1. Propriedades Termodinmicas do ciclo de compresso de vapor

Diagrama de Mollier

Para alm de tabelas termodinmicas, existem outras formas de apresentar as

propriedades termodinmicas de uma substncia, sendo uma delas atravs do diagrama

de Mollier que tem por ordenada e abcissa, presso e entalpia, respetivamente. Sendo,

no caso em questo a substncia em estudo o fludo refrigerante R404a, obteve-se o

seu diagrama P-h e atravs de medies de temperatura (Tabela 1) efetuadas no mural

em vrios pontos ao longo do sistema conseguiu-se traar o ciclo termodinmico

pretendido, representado no Anexo D.

Figura 7 Ciclo Real de Carnot do mural refrigerado PRIMUS 90


15

Tabela 1 Medies de temperatura

Pontos de medio Temperatura (C)

Ponto 1

Entrada do compressor 9

Ponto 2

Sada do compressor 54

Ponto 3

Sada do condensador 25

Ponto 4

Entrada do evaporador -5

Ponto 5

Meio do condensador 31.3

O instrumento de medio que permitiu ao grupo obter os valores acima

apresentados foi o multmetro da marca Kaise de modelo VA40B, ilustrado na Figura

8, cujas especificaes esto apresentadas na Tabela 2. O ponto 5 quase como que

um ponto extra mas de extrema importncia, uma vez que atravs da medio de

temperatura neste local possvel obter o valor de presso alta atravs de tabelas

termodinmicas do fluido, assim como o valor de presso baixa obtido atravs do

valor medido no ponto 4, no qual j garantida a expanso provocada pelo capilar de

expanso.

Tabela 2 Especificaes do multmetro

Na Figura 9 est representado um diagrama P-h de um determinado fludo que

permite evidenciar o aspeto que o ciclo termodinmico tomar tambm para o caso do

fludo em estudo (R404a).

Caractersticas Gama Sensibilidade

Voltagem DC

600mV

6V/60V/600V

1000V

0.5%

0.8%

1.0%

Voltagem AC 600mV/6V/60V/600V

1000V

1.0%

1.5%

Frequncia

Linear 6Hz~10kHz (0.05%+8)

Temperatura -55C~0C

1C~1000C

5.0%

2.0%

Figura 8 - Multmetro Kaise

VA40B


16

Depois de obtido o ciclo termodinmico (Anexo D) foi possvel obter-se as

propriedades termodinmicas nos vrios pontos da medio, sendo que estas

propriedades esto representadas na Tabela 3.

Tabela 3 Propriedades termodinmicas nos ponto s de medio

Ponto Presso

(bar)

Temperatura

(C)

Entalpia

kJ/kg

Entropia

J/kg.K

Vol.especfico

dm3 /kg

1 5.1 9 378 1665 43

2 14.8 54 404.7 1674 14.8

3 14.8 25 238.5 1157 1.08

4 5.1 -5 239.3 1162 19

Posteriormente, neste relatrio, na seco Diagrama Temperatura-Entropia (T-

s), as propriedades apresentadas na Tabela 3 sero tambm tidas em conta para a

construo do diagrama Temperatura-Entropia do mesmo fludo refrigerante.

Diagrama Temperatura-Entropia (T-s)

Na Figura 10, esto as

propriedades do fluido

frigorgeneo em funo da

Temperatura-Entropia, onde se

podem destacar as temperaturas

de condensao (31.3C),

ambiente (25C), da cmara fria

(9C) e de evaporao (-5C).

Figura 10 - Diagrama T-s do fluido R404a

Figura 9 Diagrama P-h (adaptado de [4])


17

Fatores que afetam o desempenho do sistema (COP)

1. Sub-arrefecimento do lquido

O facto de existir um sub-arrefecimento do lquido, representado pela diferena

3-3 (Figura 9), alm de aumentar o COP do ciclo pois, sem ser necessrio o

aumento do trabalho fornecido, (h1 - h4) > (h1-h3), ir tambm garantir que

existe apenas lquido entrada do capilar de expanso sendo este o objetivo

principal.

2. Sobreaquecimento do vapor

A existncia de um sobreaquecimento do vapor (1-1) no est diretamente

relacionada com um aumento ou diminuio do COP, uma vez que esta variao

ir depender do tipo de fludo refrigerante utilizado [5], mas sim com razes de

segurana, mais concretamente, para permitir que apenas chegue vapor entrada

do compressor.

3. Temperatura de evaporao e condensao

As temperaturas de evaporao e condensao vo ser cruciais para o COP do

ciclo como se pode aferir pela expresso 2:

=

=

=

=

(2)

Pela equao percetvel que quanto maior a temperatura de evaporao (Te) e

menor a temperatura de condensao (Tc), isto , quanto menor for a diferena

entre elas, maior vai ser o COP. Porm, pela Figura 11 verifica-se que o

diferencial de temperatura T quer entre Tc e TH, quer entre Te e TL, no pode

ser muito prximo de 0 uma vez que tornaria o sistema eficiente mas muito

pouco eficaz por no existir troca de calor entre o sistema e a vizinhana a uma

taxa dita razovel.

Figura 11 Temperaturas impostas sobre

um ciclo de refrigerao (adaptado de [4])


18

5. Planeamento

Seminrio Avaliaes Tutor Todos os elementos Alguns elementos Semana acadmica

Tarefas\Semanas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

SEMINRIO 1 Informao tcnica para

o projeto e o fabrico

SEMINRIO 2 Projetos em equipa

Apresentao e Relatrio MEIA-VIDA

Apresentao Final e Poster

Relatrio FINAL

A. Apresentao do projeto ao grupo

B. Recolha de informao necessria para

abordar o assunto

C. Explicao geral do funcionamento de

um sistema refrigerante

D. Redao do Estado de Arte

E. Recolha de dados catalogados do Mural

F. Medio de parmetros

experimentalmente no Mural

G. Clculos Termodinmicos

H. Calculo de Ganhos Trmicos e

Eficincias Energticas

I. Catalogao dos Componentes e Desenhos

Esquemticos Representativos

J. Anlise da formao de condensados

K. Propostas de Sistema de eliminao de

condensados

L. Estudo das melhores propostas

M. Escolha de um sistema Final

N. Elaborao do sistema final de

eliminao de condensados

O. Estudo de dois componentes do mural

com clculos de tenses e desenhos de

produo


19

Concluso

A este ponto do semestre o grupo gostaria de estar mais avanado mas devido a vrias

dificuldades encontradas das semanas iniciais apenas se conseguiram concluir algumas tarefas.

Erros de medio, m utilizao do equipamento, falta de acessibilidade a certas zonas do

equipamento, falta de instrumentos de medio apropriados ao objeto em estudo, e dificuldades

na procura de informao correta para a obteno de parmetros fidedignos, so alguns dos

problemas que tm dificultado o trabalho ao grupo.

Estas dificuldades tambm permitiram ao grupo perceber que tarefas que parecem

simples, como medir uma velocidade de escoamento podem tornar-se bastante complicadas,

percecionando assim a complexidade da obteno de resultados bem como a do componente

em estudo em geral. O grupo tambm ganhou alguma sensibilidade na pesquisa, descobrindo

algumas tcnicas de mercado utilizadas neste ramo.

O estudo aprofundado de mquinas trmicas que este projeto tem proporcionado e de

certa forma obrigado, tem sido mais uma oportunidade para cimentar conhecimentos nesta rea

da mecnica visto que algumas unidades curriculares at ento no foram to ao pormenor como

a UC de Integradora VI tem exigido ao grupo.

A partir deste momento, o grupo j se sente mais confiante e capaz de levar a cabo esta

tarefa. Com a elaborao de estratgias para contornar algumas das dificuldades bem como o

desenvolvimento do conhecimento e aplicao do mesmo neste contexto prtico, prev-se que

o grupo ser capaz de continuar a elaborar este trabalho com o mnimo de atrasos possveis.

A colaborao de meios externos ser vital para o desenvolvimento de um bom trabalho

mas prev-se que todos os meios necessrios podero ser disponibilizados ao longo das

prximas semanas.


20

Referncias Bibliogrficas

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2002. ISBN 84-376-0219-X

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1-17. [Consult. 12 Mar. 2015].

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Mar. 2015].

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Disponvel na internet:< http://www.refair.fi/images/technical/Cubigel/MX18TG.PDF>. ISSN 1048-

6542

[10] DuPont Thermodynamic Properties of DuPont Suva 404 (HP62) Refrigerant [Em linha]. p. 1-20.

[Consult. 2 Abr. 2015].


. ISSN 1048-6542

[11] Apontamentos de apoio ao estudo da UC Transferncia de Calor do Prof. Jos Carlos Teixeira

[12] Teixeira, Jos C. Correlaes em Transferncia de Calor em Conveco [Em linha]. p. 1-4.

[Consult. 6 Abr. 2015]. ISSN 1048-6542

[13] Cengel, Yunus A. Heat Transfer: A Practical Approach. 2ed. McGraw-Hill Higher Education,

2002. [Consult. 8 Abr. 2015]. Disponvel na internet: . ISBN 0203479297


21

[14] Suzhou Star New Material Co., Ltd. - Vapor Barrier Aluminium Foil Woven Fabric Insulation

[Em linha]. [Consult. 15 Abr. 2015].

Disponvel em WWW:.

[15] Econofrost Retrofit night cover products [Em linha]. p. 1-14. [Consult. 8 Abr. 2015]. Disponvel

na internet:< http://www.econofrost.com/acrobat/Econofrost_Catalog_2012%28email%29.pdf>. ISSN 1048-

6542

Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica Integradora V Grupo 7

22

ANEXOS


23

ANEXO A Componentes

Componentes Funo e descrio Dados tcnicos

Compressores

Trata-se de um dispositivo eletromecnico que usado

para desenvolver e manter o fluxo do fluido atravs do

sistema de refrigerao. O vapor frio flui do evaporador

para o compressor onde a presso elevada por uma

transferncia de energia cintica. Este processo eleva a

temperatura de saturao do vapor para um nvel que

permite o vapor condensar a temperaturas ambientes

normais.

Frequncia: 50/60 Hz Temperatura de evaporao: -23

a 7.2C

Intervalo de tenso: 198-254V Ventilador de refrigerao: F2 (3

m/s necessrios)

Carga mxima de refrigerante:

1300 g Volume de gs livre no

compressor: 1460cm3 Potncia: 931W

Condensador

um permutador de calor que recebe o calor a alta

presso e temperatura e provoca a sua condensao

retirando calor do mesmo atravs de um meio

condensante.

Dimenses: 1070x270x150mm Entre alhetas: 2/3mm Espessura alhetas: 1mm Tubos: 10 mm Capilares: 6mm Curvas em U: 20 lado esquerdo;

18 do lado direito + 2 entradas +

2 sadas

Ventiladores: 3

Ventiladores do

condensador

Os ventiladores provocam a conveco forada do ar pelo

condensador, aumentando a capacidade de troca de calor

do condensador para o ar.

Motor: 230V; 50 Hz; 0.25A; 36W; entrada 10W; sada 1300

rpm

Dimetro Hlice: 230mm

ngulo Hlice: 34

Material hlice: Alumnio

Caudal: 340 m3/h

Evaporador

um permutador de calor que recebe o refrigerante

lquido a baixa presso. Ao longo da tubulao do

evaporador o lquido vaporiza absorvendo calor do espao

interno da cmara. Para que acontea o fluxo de calor da

cmara para o evaporador, o evaporador deve ser mantido

a temperatura inferior da cmara. A diferena de

temperatura entre o evaporador e a cmara ser

denominada "T" e muito importante principalmente para controlar a humidade relativa no interior da cmara.

O fludo refrigerante quando deixa o evaporador encontra-

se na forma de vapor.

Dimenses: 1560x300x60mm

Entre alhetas: 8mm

Espessura alhetas: 1mm

Tubos alumnio: 13 mm

Capilares: 4mm

Curvas em U: 14 lado esquerdo; 12 do lado direito + 2 entradas +

2 sadas

Ventiladores: 3

Ventiladores do

evaporador

Os ventiladores do evaporador foram a circulao de ar,

fazendo com que o ar a ser refrigerado atravesse, de forma

perpendicular os tubos alhetados do evaporador.

Motor: 230V; 50/60 Hz; 0.23A; 10W ; 1300rpm

Dimetro Hlice: 154mm

ngulo Hlice: 28

Material hlice: Plstico comum

Caudal: 100 m3/h

Kit de eliminao de

condensados

Funciona como um separador de lquidos em que o

objetivo acumular o lquido que no evaporou evitando

que o fludo refrigerante chegue ao compressor na fase

lquida.

Potncia Evaporao: 750W


24

ANEXO B Consumo energtico do equipamento

Num equipamento em que a fonte de energia necessria para a realizao do trabalho, a

energia eltrica importante verificar o gasto energtico global inerente ao equipamento, bem como,

o contributo de cada componente para este mesmo consumo.

Por conseguinte, possvel fazer uma estimativa terica do consumo energtico global do

equipamento com a consulta dos dados tcnicos de cada componente. Contudo, torna-se tambm

necessrio fazer medies experimentais do consumo de energia do mural frigorfico de forma a

poder comparar a veracidade dos valores apresentados.

Desta forma, pode-se agrupar os diferentes componentes e respetivas potncias e assim

conseguir fazer uma estimativa do consumo dirio do equipamento, como se mostra na Tabela 4.

Tabela 4 Consumos para os diferentes componentes

Componente Quantidade Potncia (W)

Tempo

funcionamento

dirio (horas)

Consumo (kWh)

Kit Elimin.

Cond. 1 750 24 18

Iluminao 1 130 13 1,69

Ventiladores dos

Evaporadores 3 10 24 0,72

Ventiladores dos

Condensadores 3 36 24 2,59

Compressores 2 930 12 22,32

Total 45,32

Para a conceo e formulao da Tabela 4 foi necessrio proceder a alguns resultados

experimentais e consideraes, dos quais se destacam:

A iluminao apenas funciona durante o perodo diurno uma vez que, so equipamentos

utilizados em grande escala ao nvel das cadeias de supermercados e, por norma, apenas se

encontram abertos ao pblico durante o perodo diurno do dia, da a necessidade de considerar

um perodo de iluminao de 13 horas (para um horrio de funcionamento das 10h s 23h);

O grupo compressor no se encontra em funcionamento constante, pelo que foi necessrio

registar experimentalmente o ciclo de funcionamento do grupo compressor, do qual se

verificou que para uma carga nula e para uma temperatura aproximada de 20C os

compressores esto em funcionamento durante 3 minutos e em repouso durante 3 minutos, ao


25

qual corresponde um ciclo de 6 minutos. Durante uma hora, o grupo compressor completa 10

ciclos o que perfaz 240 ciclos por dia, e corresponde a 12h de funcionamento dirio.

Com os resultados obtidos foi possvel elaborar o grfico da Figura 12, onde possvel

verificar a percentagem de energia que cada grupo de componentes consome.

Atravs dos resultados obtidos, pode-se fazer uma estimativa para o consumo mensal de

energia e verificar o custo correspondente. Consultando a pgina da empresa Energias de Portugal

(EDP) e verificando o preo da energia eltrica para um consumo mdio, obtm-se os resultados da

Tabela 5.

Tabela 5 Consumo/custo mensal mdio

Consumo mensal de energia

(kWh)

Preo da energia eltrica

(euros por kWh)

Custo Mensal de Energia

eltrica ()

1359,66 0,1853 251,94

Resultados experimentais

Foi colocada uma tomada de consumo em srie entre o cabo do aparelho e a ligao rede

eltrica de 230V. Este aparelho permite medir o consumo em kWh do mural frigorfico durante um

determinado intervalo de tempo. Por conseguinte, o mural constitudo por duas fichas eltricas, para

o qual se apresentam os consumos energticos correspondentes na Tabela 6:

1. Uma responsvel por alimentar o grupo compressor e os ventiladores do condensador e

evaporador;

40%

4%1%

6%

49%

Consumo Energtico Dirio

Kit Evaporao

Iluminao

VentiladoresEvaporador

VentiladoresCondensador

Compressores

Figura 12 Consumo energtico dirio, em percentagem, de cada componente.


26

2. Outra para o kit de evaporao e para a iluminao do mural.

Tabela 6 Consumo energtico real

Resultados

Cabo Tempo (horas) Consumo (kWh)

Consumo

correspondente a um

dia (kWh)

1 52 49,53 22,86

2 9 7,26 19,37

Total 42,23

Verifica-se assim que, o consumo energtico estimado teoricamente se encontra prximo dos

valores registados experimentalmente, pelo que tambm de realar que nos valores obtidos

experimentalmente, o mural se encontrava sem carga trmica e com o sistema de iluminao

desligado. Estes fatores podero contribuir para alguma disparidade de resultados.


27

ANEXO C Ganhos trmicos do equipamento

A carga trmica de refrigerao ou potncia frigorfica o calor, por unidade de tempo, que

deve ser extrado do ambiente refrigerado de forma a mant-lo temperatura desejada, de acordo com

as condies estabelecidas no projeto.

Esta carga trmica depende, em geral, de muitos fatores como, por exemplo, os externos

(ganho de calor pelas paredes e pelo ar de infiltrao) e internos (calor que gerado no interior do

espao refrigerado). Neste caso apenas se estudou os ganhos externos.

A carga trmica exterior dar-se- atravs dos vidros laterais, das paredes de cima, baixo e

traseira, e tambm pela frente, havendo duas situaes distintas, quando temos a presena da cortina

fsica e quando temos apenas a cortina de ar. Os processos de transferncia de calor considerados

sero a conveco natural, a conduo e a radiao.

Conveco natural

Na transmisso de calor, a conveco natural designa a transferncia de calor entre uma

superfcie e um fluido circundante, em que o movimento do fluido resultado apenas de variaes da

sua massa volmica causadas por diferenas de temperatura. No caso de uma superfcie quente, em

contacto com o ar atmosfrico, essa superfcie ter uma poro definida do ar em contacto,

aquecendo-o inicialmente por conduo. A temperatura dessa poro de ar ser ento superior do

ambiente, diminuindo assim a sua massa volmica, levando esse pequeno volume de ar a subir,

gerando-se movimento do ar. Ou seja uma corrente de conveco natural ascendente. Pelo princpio

da conservao da massa o ar longe da parede ir descer, fechando o circuito.

De forma a calcular os ganhos trmicos pelas paredes do equipamento, temos de calcular o

coeficiente de conveco do ar. Primeiramente, atravs do nmero de Grashof, que o quociente

entre as foras de impulso e as foras viscosas presentes na conveco.

=3

2

g - acelerao da gravidade; = 9,81 /2

- Coeficiente de expanso trmica =1

, em que T a temperatura em Kelvin do ar

- Diferena de temperatura entre a superfcie e o ar

L - Dimenso caracterstica

- Viscosidade do ar

De seguida calcula-se o nmero de Rayleigh que o produto entre o nmero de Grashof e o

nmero de Prandlt, sendo este um nmero adimensional que aproxima a viscosidade cinemtica e a

difusividade trmica de um fluido, sendo uma constante para um dado fludo a uma dada temperatura.


28

=

A partir do nmero de Rayleigh possvel retirar o nmero de Nusselt, na Tabela 7

apresentam-se as equaes para a obteno deste para os diferentes escoamentos.

Tabela 7 Obteno do nmero de Nusselt para diferentes escoamentos

Tipo de conveco Gama Ra Regime Nusselt

Placa Vertical 104 109 Laminar = 0,591/4

109 1013 Turbulento = 0,101/3

Placa Horizontal 104 107 Laminar = 0,541/4

107 1011 Turbulento = 0,151/3

Obtendo o nmero de Nusselt retiramos o coeficiente de conveco (hconv), atravs da

expresso abaixo:

=

=

Conduo

A conduo o processo de transferncia de energia atravs de um meio material, sem

transporte de matria. A energia trmica propaga-se de partcula para partcula do meio. um

fenmeno que ocorre principalmente nos materiais slidos, porm pode ocorrer em fluidos, em

espaos fechados com espessura reduzida.

medida que recebem calor, os tomos ou molculas do corpo vibram mais intensamente e a

energia cintica dessas partculas transferida sucessivamente de umas para as outras, sendo essa

transferncia de energia cintica a propagao do calor.

Corpos mais densos, com maior nmero de partcula por unidade de volume, especialmente

partculas livres, so bons condutores. Quanto melhor condutor for o material, mais capacidade de

transferncia de calor ter.

Radiao

Designa-se por radiao trmica, toda a energia radiante emitida na gama de comprimentos de

onda 0,1 a 100 m do espectro eletromagntico. Resulta da emisso e propagao de ondas

eletromagnticas (ou fotes) por alterao na configurao eletrnica de tomos e molculas.

Qualquer corpo com uma temperatura superior a 0K emite energia radiante.

A transferncia de calor por radiao trmica ocorre atravs de slidos, lquidos e gases e no

vcuo, exceto nos slidos e lquidos opacos radiao trmica. Como, em geral, os gases so pouco

absorventes, a contribuio da radiao trmica para o calor total transferido no deve ser descurado


29

nos clculos de Engenharia quando se tm superfcies separadas por gases, como por exemplo o ar.

A energia radiante que um corpo emite dada pela Lei de Stefan-Boltzmann, dada pela seguinte

equao:

Q = A(T)4

Q Potncia irradiada por segundo Emissividade A rea da superfcie

Constante de Stefan-Boltzmann ( = 5,67 108)

Clculos

Coeficientes de conveco

Tabela 8 - Coeficientes de conveco natural (Tamb=20C; na zona inferior do mural Tinf=32C;

temperatura interna Tint=4C)

Superficie Area

() T (C) Gr Pr Ra Nu

(W/m2.K)

Vidro

externo 0,66 17.8 5,45 108 0,709 3,86 108 82,7 1,79

Vidro

interno 0,66 11,2 1,97 109 0,713 1,41 109 112.1 2.43

Parede

superior

externa

1,035 19,9 8,36 107 0,709 5,93 107 58,5 0,845

Parede

superior

interna

1,035 6,0 2,15 109 0,713 1,53 109 172,8 2,50

Parede

traseira

externa

2,81 18,7 1,06 109 0,709 7,53 108 97,7 1.41

Parede

traseira

interna

2,81 6,0 1,07 109 0,713 7,66 108 98.2 1,42

Parede

inferior

externa

1,035 30,5 1,05 109 0,706 7,38 108 135.6 1,96

Parede

inferior

interna

1,035 11,5 8,06 109 0,713 5,75 109 268,7 3,88

Cortina

fsica

externa

2,16 19,5 4,18 108 0,709 2,96 108 77.4 1,12

Cortina

fsica

interna

2,16 19,5 1,67 1010 0,713 1,19 1010 228.2 3,30


30

Tabela 9 Dados condutivos[11]

Superfcies

condutivas Material K(W/m.K) Localizao

Espessura

(mm)

Vidro Vidro 0,78 ------------------ 3

Chapa ASTM A591 Zinc

Coated Steel 52 ------------------ 1

Fluido Ar 0,026 ------------------ 9

Isolante Poliuretano 0,023

Topo 25

Inferior 35

Traseira 25

Cortina Folha de alumnio

retorcido furado 0,05 ------------------ 1

Tabela 10 Dados radiao (Coeficiente de radiao retirado atravs da expresso h=A(T s2+T e2)(T s+T e))

Superfcie Localizao T (C)

Coeficiente

de radiao

hrad

(W/m2.K

Vidro Interior 11,2 3,73

Exterior 17,8 3,30

Chapa

Topo 19,9 5,91

Inferior 30,5 6,62

Traseira 18,7 15,95

Cortina Exterior 0,05 12,31

Clculos dos ganhos nas diferentes partes do mural

Vidros

Sendo vidro duplo, a transferncia de calor dar-se- pelos seguintes processos: radiao e

conveco no exterior, conduo atravs de vidro, conduo atravs do ar presente na camara entre

os vidros, conduo atravs de vidro e por fim conveco e radiao no interior. Ento a potencia

transmitida dada por:

=

111

+11

+

+

+

+

111

+11


31

Assim, analisando os valores das tabelas vem que a potncia que ganho atravs de um vidro

de = 14,86, sendo de = 29,72 para os dois vidros

Cima

Em cima a transferncia d-se por conveco e radiao no exterior, conduo na chapa,

conduo no isolamento, conduo na chapa e conveco no interior. Assim vem que:

=

111

+11

+

+

+

+

1

Pelos dados recolhidos anteriormente = 10,13 pela parte superior do aparelho

Trs

Na parte traseira a transferncia de calor d-se por conveco e radiao no exterior, conduo

na chapa, conduo no isolamento, conduo na chapa e conveco no interior. Ento:

=

111

+11

+

+

+

+

1

Assim, o valor foi de = 24,23

Baixo

Na parte inferior a transferncia de calor d-se por conveco e radiao no exterior, conduo

na chapa, conduo no isolamento, conduo na chapa e conveco no interior. Vem que:

=

111

+11

+

+

+

+

1

O resultado foi de = 15,14


32

Atravs da cortina fsica

Os ganhos atravs da cortina fsica do-se atravs de conduo e radiao no exterior,

conduo atravs da cortina e conveco interior. Assim:

=

111

+11

+

+

1

= 86,95

Total

Os ganhos totais so ento a soma dos ganhos por todas as superfcies passiveis de realizar

transferncia de calor para o interior do frigorfico.

Temos que = 86,59 + 15,14 + 24,23 + 10,13 + 2 14,86

= 165,81

Nesta fase os ganhos sem a presena da cortina fsica foram ignorados, mesmo sabendo que

representam uma enorme parcela dos ganhos totais. Sero calculados mais tarde.


33

ANEXO D Diagrama de Mollier do fluido R404a

Eliminação de Condensados Formados no Evaporador

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Transcript of Eliminação de Condensados Formados no Evaporador