Orientador: André Luiz Seixlack / Banca: Elaine Maria Cardoso / Banca: Henor Artur de Souza / Resumo: Neste trabalho apresenta-se um modelo numérico para simular o escoamento e a transferência de calor entre o fluido refrigerante e ar externo em regime permanente e transiente ao longo de evaporadores de tubos aletados comumente usados em refrigeradores domésticos do tipo frost-free e sistemas de ar condicionado. O escoamento do fluido refrigerante é dividido em duas regiões: uma de escoamento bifásico e outra de vapor superaquecido. Considera-se a queda de pressão do escoamento no interior dos tubos e a condensação do vapor d'água do ar úmido que escoa em fluxo cruzado na parte externa dos tubos. O escoamento bifásico é analisado segundo o modelo homogêneo. As equações fundamentais de conservação da massa, da quantidade de movimento e de conservação da energia que governam o escoamento do refrigerante são resolvidas, respectivamente, para o cálculo da velocidade, da pressão e da entalpia específica do fluido refrigerante. Para o escoamento de ar, são resolvidas as equações de conservação da energia e de conservação da massa (umidade). Resolve-se, também, a equação da conservação da energia para a parede do tubo, para obter sua distribuição de temperatura. O modelo necessita ainda de equações constitutivas para o cálculo dos: fatores de atrito, coeficientes de transferência de calor para o ar e para o refrigerante, do coeficiente transferência de massa para a água e das propriedades termofísicas do refrigerante, do ar e da água. As equações governantes são integradas numericamente usando o método de Euler e o sistema de equações algébricas resultante é solucionado pelo método de Newton-Raphson. O modelo pode ser usado para: (a) determinar os parâmetros de desempenho do evaporador, tais como: capacidade de refrigeração, temperaturas de saída do refrigerante e do ar, dentre outros, desde que as condições de operação e os parâmetros geométricos... / Abstract: This work presents a numerical model to simulate the steady and transient flow and heat transfer between the refrigerant fluid and outside air along tube-fin evaporators commonly used in 'no-frost' household refrigerators. The refrigerant flow inside the tube is taken as one- dimensional and divided in a two-phase flow region and a superheated vapor flow region. The refrigerant pressure drop and the moisture condensation on the airflow crossing the outside of the tubes are taken into account. The homogeneous flow model is employed for the two-phase flow region. The fundamental equations of mass conservation, momentum and energy conservation governing the refrigerant flow are solved in order to evaluate the velocity, pressure and specific enthalpy of the refrigerant fluid. The energy and mass (humidity) conservation equations for the air flow are solved in order to evaluate the temperature and absolute humidity of the air crossing the evaporator, respectively. The energy conservation equation for the evaporator tube wall is also solved to obtain the wall temperature distribution. Furthermore, the model needs closer constitutive equations to calculate the friction coefficients, the refrigerant and air heat transfer coefficients, the water mass transfer coefficient and the refrigerant, air and water thermo-physical properties. The governing equations are integrated numerically using Euler's method and the resulting algebraic system of equations is solved by Newton-Raphson's method. The model could be used to: (a) determine evaporator performance parameters, such as: refrigeration load; outlet refrigerant and air temperatures; among others, since the evaporator operating conditions and dimensions are known. In this case a direct problem is solved from a set of inlet conditions for the refrigerant and also for the air; (b) determine the refrigerant mass flow rate along evaporator tubes, once its ... / Mestre

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T20:08:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 101350.pdf: 2739688 bytes, checksum: c4199d9838af67cf5ebadb529cbbec80 (MD5) Previous issue date: 1995 / Estudo do programa EVSIM, desenvolvido pelo NiST (National Institute of Standards and Technology - USA) para a simulação de evaporadores do tipo tubo aletado, empregados em condicionadores de ar, visando adequá-lo à simulação de evaporadores de câmara frigoríficas. O modelo apresentado baseia-se, fundamentalmente, no método tubo-por-tubo. A avaliação do desempenho térmico de um tubo aletado, em escoamento cruzado, constitui sua parte básica. A performance total do evaporador é obtida a partir de performance individual de cada tubo, sendo estes associados com os respectivos parâmetros do refrigerante e comum determinado fluxo de ar. Comparações entre resultados fornecidos pelo modelo com valores fornecidos por catálogos de fabricantes e análises comparativas envolvendo as características geométricas do evaporador e os refrigerantes CFC-12, HFC-22 e HFC-134a, são apresentadas e discutidas.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:18:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 325096.pdf: 14738600 bytes, checksum: 76e121ad0d77da8647288445c3e0ae16 (MD5) Previous issue date: 2013 / O projeto de refrigeradores domésticos é focado não somente na redução do consumo de energia em condições normalizadas, mas também em condições reais de operação, quando as portas dos compartimentos refrigerados são abertas periodicamente. Nesse caso, há transporte de umidade para os compartimentos refrigerados com consequente formação de geada sobre o evaporador, redução da vazão de ar e elevação no tempo de funcionamento do compressor. O efeito de tais fenômenos deve ser considerado para o adequado projeto dos componentes assim como para a definição de estratégias de controle do produto. A robustez do produto à formação de geada é geralmente estudada através de ensaios experimentais complexos, demorados e dispendiosos. Tal cenário favorece o uso de modelos matemáticos, embora nenhum dos modelos disponíveis na literatura seja capaz de simular o comportamento de um refrigerador doméstico submetido a ciclos de aberturas de portas e a consequente formação de geada sobre as superfícies do evaporador. Para eliminar essa lacuna, desenvolveu-se um modelo matemático para simular o comportamento transiente de um refrigerador doméstico sujeito a condições típicas de um teste de robustez à formação de geada. Para tanto, adotou-se uma abordagem semi-empírica, onde os componentes do refrigerador foram modelados com base em trabalhos disponíveis na literatura. Alguns dos parâmetros empíricos associados aos modelos desses componentes foram derivados de resultados experimentais obtidos com o próprio refrigerador. As estimativas do modelo foram devidamente validadas contra dados experimentais. O desvio máximo observado na previsão da evolução temporal da vazão mássica de refrigerante, da potência consumida e das pressões de evaporação e condensação foi de ±10%, da perda de carga no evaporador de ±20%, da massa de geada acumulado no evaporador de ±30% e das temperaturas dos compartimentos refrigerados de ±2ºC. Além disso, o modelo foi utilizado para estimar o comportamento de variáveis não facilmente mensuráveis tais como a evolução temporal da posição da fronteira entre as regiões bifásica e superaquecida no evaporador, da densidade e espessura da camada de geada e da distribuição da massa de geada e da perda de carga em cada fileira do evaporador.<br> / Abstract : Modern refrigerator design is aimed not only at energy savings but also at product robustness to evaporator frosting. Whilst the former is evaluated by means of standardized test procedures, the latter is assessed by testing the refrigerator under real usage conditions, when the doors are opened in a regular basis, allowing moisture to enter the refrigerated compartment and, consequently, frost to accumulate on the evaporator surface. As the frost layer grows, the air-side pressure drop rises, reducing the air flow rate and, therefore, the evaporator capacity. As a consequence, the compressor is driven to run longer cycles, thus increasing the energy consumption. The laboratory procedures required for product assessment and development rely on costly and time consuming experiments. Albeit it has been advocated that the adoption of simulation models may aid the product development process, there is no model available in the open literature which is capable of simulating the refrigerator performance under door-opening and frost build-up conditions. Therefore, a mathematical model for simulating the transient behavior of a domestic refrigerator in such conditions has been advanced in this work. A first-principles simulation model was put forward for the refrigeration loop, whereas a semi-empirical approach was adopted for the refrigerated compartment, in such a way that the key empirical parameters were obtained by testing the refrigerator in an environmental chamber. The model was validated against experimental data, when it was found that its predictions for power consumption and refrigerant mass flow rate fell within a ±10% error band, its predictions for accumulated frost mass were within a ±20% error band, and its predictions for compartment air temperatures were within a ±2K error band. The model is also capable of predicting the behavior of some non-measurable variables, such as the time evolution of the liquid-vapor to vapor transition point of the refrigerant in the evaporator, the density and thickness of the frost layer over the different rows of the evaporator and also the contribution of each of these rows on the air side pressure drop on the evaporator.

Made available in DSpace on 2015-09-17T15:26:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-06-29. Added 1 bitstream(s) on 2015-09-17T15:45:12Z : No. of bitstreams: 1 000847749.pdf: 3178546 bytes, checksum: df9a1fe5199988861e46d4041fa84d9a (MD5) / Neste trabalho apresenta-se um modelo numérico para simular o escoamento e a transferência de calor entre o fluido refrigerante e ar externo em regime permanente e transiente ao longo de evaporadores de tubos aletados comumente usados em refrigeradores domésticos do tipo frost-free e sistemas de ar condicionado. O escoamento do fluido refrigerante é dividido em duas regiões: uma de escoamento bifásico e outra de vapor superaquecido. Considera-se a queda de pressão do escoamento no interior dos tubos e a condensação do vapor d'água do ar úmido que escoa em fluxo cruzado na parte externa dos tubos. O escoamento bifásico é analisado segundo o modelo homogêneo. As equações fundamentais de conservação da massa, da quantidade de movimento e de conservação da energia que governam o escoamento do refrigerante são resolvidas, respectivamente, para o cálculo da velocidade, da pressão e da entalpia específica do fluido refrigerante. Para o escoamento de ar, são resolvidas as equações de conservação da energia e de conservação da massa (umidade). Resolve-se, também, a equação da conservação da energia para a parede do tubo, para obter sua distribuição de temperatura. O modelo necessita ainda de equações constitutivas para o cálculo dos: fatores de atrito, coeficientes de transferência de calor para o ar e para o refrigerante, do coeficiente transferência de massa para a água e das propriedades termofísicas do refrigerante, do ar e da água. As equações governantes são integradas numericamente usando o método de Euler e o sistema de equações algébricas resultante é solucionado pelo método de Newton-Raphson. O modelo pode ser usado para: (a) determinar os parâmetros de desempenho do evaporador, tais como: capacidade de refrigeração, temperaturas de saída do refrigerante e do ar, dentre outros, desde que as condições de operação e os parâmetros geométricos... / This work presents a numerical model to simulate the steady and transient flow and heat transfer between the refrigerant fluid and outside air along tube-fin evaporators commonly used in 'no-frost' household refrigerators. The refrigerant flow inside the tube is taken as one- dimensional and divided in a two-phase flow region and a superheated vapor flow region. The refrigerant pressure drop and the moisture condensation on the airflow crossing the outside of the tubes are taken into account. The homogeneous flow model is employed for the two-phase flow region. The fundamental equations of mass conservation, momentum and energy conservation governing the refrigerant flow are solved in order to evaluate the velocity, pressure and specific enthalpy of the refrigerant fluid. The energy and mass (humidity) conservation equations for the air flow are solved in order to evaluate the temperature and absolute humidity of the air crossing the evaporator, respectively. The energy conservation equation for the evaporator tube wall is also solved to obtain the wall temperature distribution. Furthermore, the model needs closer constitutive equations to calculate the friction coefficients, the refrigerant and air heat transfer coefficients, the water mass transfer coefficient and the refrigerant, air and water thermo-physical properties. The governing equations are integrated numerically using Euler's method and the resulting algebraic system of equations is solved by Newton-Raphson's method. The model could be used to: (a) determine evaporator performance parameters, such as: refrigeration load; outlet refrigerant and air temperatures; among others, since the evaporator operating conditions and dimensions are known. In this case a direct problem is solved from a set of inlet conditions for the refrigerant and also for the air; (b) determine the refrigerant mass flow rate along evaporator tubes, once its ...

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-12-22Bitstream added on 2014-06-13T19:30:01Z : No. of bitstreams: 1 suguimoto_fk_me_ilha.pdf: 2910417 bytes, checksum: 0c31904819edbccc5cd91079714d3574 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho apresenta-se um modelo numérico para a simulação do escoamento e da transferência de calor, nos regimes permanente e transiente, ao longo de um evaporador do tipo roll-bond instalado no interior do gabinete de um refrigerador doméstico. Evaporadores roll- bond são amplamente utilizados na maioria dos refrigeradores domésticos no Brasil. A análise desse tipo de evaporador é de fundamental importância para a indústria de refrigeradores domésticos, uma vez que melhora o entendimento das trocas de calor envolvidas e, portanto, pode contribuir com a melhoria do desempenho do sistema. Divide-se o estudo em duas etapas: a modelagem do evaporador e a modelagem do gabinete. A análise do evaporador envolve o escoamento do fluido refrigerante no interior dos canais formados por duas chapas de alumínio justapostas, que formam a placa evaporadora. Tais canais são separados por filetes que atuam como uma aleta única, originando significativa transferência de calor por condução na placa evaporadora. As duas chapas de alumínio justapostas são consideradas como uma única placa plana vertical, com transferência de calor por condução nas direções horizontal e vertical. No lado externo a transferência de calor ocorre por convecção natural e por radiação entre a placa evaporadora e o gabinete do refrigerador. No interior dos canais do evaporador o escoamento é considerado unidimensional e dividido em uma região monofásica de vapor superaquecido e uma região bifásica líquido-vapor. Na região bifásica o escoamento é considerado homogêneo, ou seja, são consideradas condições de equilíbrio térmico e hidrodinâmico entre as fases. A influência da curvatura dos canais sobre o escoamento é desconsiderada e a queda de pressão no interior dos canais é considerada. A simulação do escoamento... / This works presents a numerical model to simulate the unsteady refrigerant fluid flow and heat transfer along a roll-bond evaporator installed inside the cabinet of a household refrigerator. Roll-bond evaporators are widely used in most household refrigerators in Brazil. The analysis of this type of evaporator is fundamental to the industry of household refrigerators. It improves understanding of the refrigerant flow and heat transfer and, therefore, could contribute to the improvement of system performance and energy savings. The model is divided into two stages, one for the evaporator and the other for the cabinet. The analysis of the evaporator involves the refrigerant flow inside the channel formed by powder-coated aluminum. This channel is separated by fillets that act as a single fin, causing significant heat transfer by conduction in the evaporator plate. The powder-coated aluminum channel is considered as a single vertical flat plate, where conduction heat transfer takes place along horizontal and vertical directions. Heat transfer by free convection and radiation between the evaporator plate and the air inside the cabinet is taken into account. The refrigerant flow inside the channel is divided in two regions: a two-phase flow, of liquid-vapor, and another of single-phase flow, of superheated vapor. The refrigerant flow is assumed to be one-dimensional and a homogeneous flow model is employed for the two-phase flow. The influence of the curvature of the channels on the flow is disregarded, although the pressure drop inside the channels is taking into account. The fundamental equations governing the flow through evaporator are derived from the mass conservation, momentum and energy conservation laws. The heat conduction equation is also solved to obtain the temperature distribution along the evaporator plate. A Finite Volume approach... (Complete abstract click electronic access below)

Orientador: André Luiz Seixlack / Banca: José Luiz Gasche / Banca: Ricardo Augusto Mazza / Resumo: Neste trabalho apresenta-se um modelo numérico para a simulação do escoamento e da transferência de calor, nos regimes permanente e transiente, ao longo de um evaporador do tipo roll-bond instalado no interior do gabinete de um refrigerador doméstico. Evaporadores roll- bond são amplamente utilizados na maioria dos refrigeradores domésticos no Brasil. A análise desse tipo de evaporador é de fundamental importância para a indústria de refrigeradores domésticos, uma vez que melhora o entendimento das trocas de calor envolvidas e, portanto, pode contribuir com a melhoria do desempenho do sistema. Divide-se o estudo em duas etapas: a modelagem do evaporador e a modelagem do gabinete. A análise do evaporador envolve o escoamento do fluido refrigerante no interior dos canais formados por duas chapas de alumínio justapostas, que formam a placa evaporadora. Tais canais são separados por filetes que atuam como uma aleta única, originando significativa transferência de calor por condução na placa evaporadora. As duas chapas de alumínio justapostas são consideradas como uma única placa plana vertical, com transferência de calor por condução nas direções horizontal e vertical. No lado externo a transferência de calor ocorre por convecção natural e por radiação entre a placa evaporadora e o gabinete do refrigerador. No interior dos canais do evaporador o escoamento é considerado unidimensional e dividido em uma região monofásica de vapor superaquecido e uma região bifásica líquido-vapor. Na região bifásica o escoamento é considerado homogêneo, ou seja, são consideradas condições de equilíbrio térmico e hidrodinâmico entre as fases. A influência da curvatura dos canais sobre o escoamento é desconsiderada e a queda de pressão no interior dos canais é considerada. A simulação do escoamento... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This works presents a numerical model to simulate the unsteady refrigerant fluid flow and heat transfer along a roll-bond evaporator installed inside the cabinet of a household refrigerator. Roll-bond evaporators are widely used in most household refrigerators in Brazil. The analysis of this type of evaporator is fundamental to the industry of household refrigerators. It improves understanding of the refrigerant flow and heat transfer and, therefore, could contribute to the improvement of system performance and energy savings. The model is divided into two stages, one for the evaporator and the other for the cabinet. The analysis of the evaporator involves the refrigerant flow inside the channel formed by powder-coated aluminum. This channel is separated by fillets that act as a single fin, causing significant heat transfer by conduction in the evaporator plate. The powder-coated aluminum channel is considered as a single vertical flat plate, where conduction heat transfer takes place along horizontal and vertical directions. Heat transfer by free convection and radiation between the evaporator plate and the air inside the cabinet is taken into account. The refrigerant flow inside the channel is divided in two regions: a two-phase flow, of liquid-vapor, and another of single-phase flow, of superheated vapor. The refrigerant flow is assumed to be one-dimensional and a homogeneous flow model is employed for the two-phase flow. The influence of the curvature of the channels on the flow is disregarded, although the pressure drop inside the channels is taking into account. The fundamental equations governing the flow through evaporator are derived from the mass conservation, momentum and energy conservation laws. The heat conduction equation is also solved to obtain the temperature distribution along the evaporator plate. A Finite Volume approach... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

En el presente trabajo se ha realizado el diseño del evaporador del ciclo Rankine orgánico, el cual cumple con la disponibilidad de espacio requerido y la caída de presión admisible. A su vez, este diseño garantiza la transferencia de calor de los gases de combustión hacia el refrigerante R123. Para el diseño del evaporador se comenzó por determinar las propiedades termodinámicas y termofísicas del refrigerante R123. A su vez, se determinó la composición de los gases de combustión, temperatura de entrada, flujo másico y propiedades termofísicas de cada componente de los gases. Por lo tanto, las condiciones nominales de operación son las siguientes: presión absoluta de evaporación de 2 MPa, temperatura de condensación de 330 K, flujo másico del refrigerante R123 de 4 kg/s, temperatura de entrada de los gases de combustión 740 K y flujo másico de los gases de combustión 4.35 kg/s. Finalmente, se realizó el diseño del evaporador definiendo la geometría, número de pasos, número de tubos y separación entre tubos. De acuerdo a este análisis, se determinó que el área superficial requerida para la eficiente transferencia de calor es 37.7 m2, por lo tanto, se seleccionaron 250 tubos de ¾” de diámetro nominal y una longitud de 2.5 m. / Tesis

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T07:50:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 284573.pdf: 7894726 bytes, checksum: 58625ffe289b6118bfb4d16d1f9b3318 (MD5) / O presente trabalho apresenta uma análise teórica e experimental de um conceito alternativo de superfícies estendidas para trocadores de calor compactos. O evaporador de aletas periféricas é um trocador de calor de fluxo cruzado cuja superfície do lado do ar é formada por conjuntos de aletas radiais cujas bases são conectadas aos tubos e cujas pontas se conectam à aletas periféricas. Cada conjunto é composto por seis aletas radiais e seis aletas periféricas, formando uma estrutura hexagonal. A configuração das superfícies estendidas do lado do ar é composta por três níveis de aletas, cada qual caracterizado pelo comprimento da aleta radial. Cada conjunto é montado com uma defasagem de 30o com relação ao conjunto vizinho. Uma bancada experimental foi utilizada para avaliar a queda de pressão e a transferência de calor do lado do ar em 5 protótipos de evaporadores em função da vazão de ar e de características geométricas dos trocadores de calor, como tamanho de aletas, disposição espacial e comprimento do trocador. O aparato experimental é constituído de um túnel de vento e de um circuito de água para circulação interna dentro dos tubos. Um modelo teórico unidimensional baseado na teoria clássica de meios porosos foi desenvolvido para predizer o comportamento termo-hidráulico do trocador de calor. O modelo incorpora a geometria real das aletas no cálculo da porosidade do lado do ar. A permeabilidade do lado do ar é calculada de acordo com o modelo de Kozeny-Carman baseado na definição de diâmetro das partículas devida à Whitaker. As correlações de Whitaker (1972) e de Handley e Heggs (1968) para o número de Nusselt e de Ergun (1952) e de Montillet et al. (2007) para o fator de atrito foram implementadas no modelo e previram com uma concordância satisfatória os dados experimentais, com um erro máximo de 10% para a transferência de calor e 20% e 30% respectivamente para a queda de pressão. A determinação das dimensões ótimas do evaporador de aletas periféricas para uma taxa de transferência de calor especificada foi realizada para as situações-limite de temperatura de parede constante e de fluxo de calor constante com base em um cálculo da minimização da geração de entropia (devido à transferência de calor e atrito) no lado do ar. / This work presents a theoretical and experimental analisys of a novel compact heat exchanger surface geometry for refrigeration applications. The so-called peripheral finned-tube evaporator is a cross-flow heat exchanger whose air-side is composed by a hexagonal arrangement of open-pore cells formed by radial fins whose bases are attached to the tubes and whose tips are connected to the peripheral fins. Each fin arrangement is made up of six radial fins and six peripheral fins forming a hexagon-like structure. The air-side fin configuration is composed of three levels of fin arrangement, each characterized by the length of radial fin and mounted with a 30o offset from its neighboring level. An experimental apparatus was used to measure the air-side pressure drop and the heat transfer characteristics in 5 evaporators prototypes as a function of the air flow rate and the heat exchanger geometric parameters, such as the radial length of fins, distribution and evaporator lenght. The test facility consists of an open wind tunnel connected to a water loop. A one-dimensional theoretical model based on the theory of porous media has been developed to predict the thermal-hydraulic behavior of the heat exchanger. The model incorporates the actual fin geometry into the calculation of the air-side porosity. The air-side permeability is calculated according to the Kozeny-Carman model with the particle diameter definition due to Whitaker. The correlations due to Whitaker (1972) and Handley and Heggs (1968) for the Nusselt number and due to Ergun (1952) and Montillet et al. (2007) for the friction factor have been implemented in the model. They have predicted the experimental data with an acceptable level of agreement, showing a maximum deviation of 10% for the heat transfer and 20% and 30% for the pressure drop, respectively. The optimum overall dimensions of the peripheral finned-tube evaporator have been determined for the limiting cases of constant wall temperature and constant wall heat flux based on a minimization of the entropy generation (due to fluid friction and heat transfer) on the air-side for a given air heat transfer rate.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T10:23:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 285895.pdf: 3999865 bytes, checksum: eed60bdeca0147d1930070714591ec0e (MD5) / A formação de geada em evaporadores é um fenômeno inevitável e indesejável, uma vez que degenera a capacidade de refrigeração e o desempenho do sistema. A perda de desempenho ocorre porque a camada de geada aumenta não só a resistência térmica entre o ar e os tubos aletados, mas também a restrição ao escoamento de ar, o que faz com que tanto a vazão deslocada pelo ventilador como a condutância térmica do evaporador diminuam. Com a redução na taxa de transferência de calor no evaporador, as temperaturas internas do refrigerador tendem a aumentar e isso exige que o compressor permaneça mais tempo ligado. Por essa razão, a geada deve ser periodicamente removida pela ação de uma resistência elétrica, o que eleva o consumo de energia. A crescente busca por um melhor entendimento desses fenômenos, bem como de alternativas para minimizar o crescimento da geada em evaporadores, deu origem a diversos procedimentos experimentais e a modelos matemáticos voltados à formação de geada em evaporadores. Entretanto, na ampla maioria dos trabalhos, os experimentos foram conduzidos em túnel de vento, onde o evaporador é submetido a condições uniformes de temperatura, umidade e vazão em sua entrada, o que não ocorre em aplicações reais típicas. Para preencher esta lacuna, foram realizados experimentos com o evaporador montado em sua posição normal, dentro de um refrigerador frost-free do tipo top-mount. O sistema de refrigeração do produto foi substituído por um calorímetro especialmente construído para tal finalidade, capaz de controlar não só a pressão de evaporação, mas também o grau de superaquecimento no evaporador. Além disso, desenvolveu-se um modelo computacional para prever o acúmulo de geada em cada fileira do evaporador. O modelo foi validado contra dados experimentais, quando se observaram desvios da ordem de 10% na estimativa da massa de geada acumulada. Finalmente, foram realizados ensaios experimentais para investigar oportunidades de melhoria do sistema de degelo do evaporador, quando se observou um aumento da eficiência de degelo de 25 para 60%.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-24T02:23:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 260272.pdf: 3191393 bytes, checksum: 29bf709451b50a2a0c5b3e2460cdf5fa (MD5) / O presente trabalho apresenta uma análise teórica e experimental de trocadores de calor tubo-aleta aplicados a refrigeração doméstica. O desempenho de um conceito alternativo de evaporador, o chamado Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA), foi investigado sistematicamente. Neste evaporador, a área de seção transversal do lado do ar diminui com a distância da região de entrada, causando a aceleração do escoamento e promovendo um aumento no coeficiente de transferência de calor do lado ar. Um estudo de otimização também foi realizado com o objetivo de obter uma configuração otimizada para o EFA aplicado a um refrigerador doméstico. Uma bancada experimental foi construída para avaliar a perda de carga e a transferência de calor em 15 protótipos de evaporadores, em função da vazão, da razão da seção transversal entre a entrada e a saída, do número de aletas e do comprimento do trocador. O aparato experimental é constituído de um túnel de vento e de um circuito de água para circulação interna dentro dos tubos. Um modelo de evaporador que simula o comportamento termo-hidráulico do lado ar também foi desenvolvido. Este modelo divide o evaporador em regiões (volumes de controle) e em geometrias elementares (tubos e aletas), para fazer uso das informações de geometrias mais simples disponíveis na literatura e, assim, modelar os fenômenos que ocorrem neste componente. Um modelo simplificado de um refrigerador doméstico (duas portas, #frostfree#) também foi elaborado para avaliar o impacto global da utilização de um determinado evaporador no sistema de refrigeração. Os resultados numéricos dos modelos do evaporador e do sistema de refrigeração foram validados através da comparação com dados experimentais, verificando-se uma razoável concordância de ±15%. Através dos estudos de otimização verificou-se que o conceito do EFA apresenta um grande potencial para a aplicação em refrigeradores domésticos, já que todas as configurações dos evaporadores obtidos pela otimização apresentaram alguma aceleração. Com a utilização de um EFA, foi possível constatar reduções de massa do evaporador de até 40%, com uma redução no COP do sistema de apenas 1%. A theoretical and experimental analysis of tube-fin evaporators utilized in household top-mount #no-frost# refrigerators is carried out in the present dissertation. The performance of an alternative evaporator concept, the so-called Accelerated Flow Evaporator (AFE) is systematically investigated. In this evaporator, the air-side cross sectional area decreases with the distance from the air flow inlet causing the air flow to accelerate and promote an enhancement of the air-side heat transfer coefficient. This heat transfer enhancement allows a reduction of the heat exchanger volume and hence its material cost. An optimization analysis is also carried out to identify an optimized configuration of the AFE utilized in household refrigerators. An experimental apparatus was constructed to measure the air-side pressure drop and the heat transfer in 15 evaporators prototypes as a function of the air flow rate, the ratio of the outlet and inlet cross-section area and the number of fins. The test facility consists of an open wind tunnel connected to a water loop. A mathematical model which simulates the air-side thermal-hydraulic behavior of the evaporator was also developed. The modeling approach consists of dividing the evaporator into n control volumes in the direction of the air flow. The tube pitches, fin density and inlet and outlet cross-sectional areas can be set independently for each control volume. A mathematical model for the refrigeration system was also developed to take into account the overall impact on the system performance due to a change in the configuration of the evaporator. The agreement between the models and the experimental results is within ±15%. The optimization results have shown that the AFE concept presents a significant potential for household refrigeration applications, since all configurations obtained from the optimization runs contained evaporators with some acceleration. When the AFE concept was employed, the mass of the evaporator could be reduced by as much as 40%, with an associated COP reduction of only 1%.