Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-26T10:41:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1
300945.pdf: 7691802 bytes, checksum: a79a29074aa4a3a99f8245213c58a3ba (MD5) / No Brasil, o consumo de energia no setor residencial é liderado pelo segmento de refrigeração e condicionamento de ar, com uma participação percentual da ordem de 50%, o que corresponde a aproximadamente 10% de toda eletricidade produzida no país. Tal valor se deve tanto ao grande número de produtos no mercado como ao seu baixo desempenho termodinâmico. Em um sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor, largamente utilizado na refrigeração doméstica, o ponto de operação do sistema depende da interação entre seus componentes. As pressões de condensação e evaporação afetam diretamente a capacidade do compressor e vazão mássica fornecida pelo tubo capilar e vice-versa. Já a carga de refrigerante afeta tanto a pressão de condensação como a de evaporação, através do excesso ou da falta de fluido nos trocadores de calor. Diferentes autores mostraram que o coeficiente de desempenho de um refrigerador doméstico pode ser melhorado pela simples escolha do tubo capilar e da carga de refrigerante. Porém, há escassez de trabalhos na literatura com foco no efeito simultâneo de tais parâmetros. Neste trabalho desenvolveu-se um procedimento experimental que permite a variação da carga de refrigerante e da restrição do dispositivo de expansão em refrigeradores domésticos. Para tanto, utilizam-se um dispositivo de carga de fluido refrigerante e uma válvula de expansão micrométrica instalada em série com um tubo capilar de diâmetro superior ao original. O dispositivo de carga é constituído por um cilindro suspenso em uma célula de carga e por duas válvulas solenoides de ação direta, conectadas às linhas de sucção e descarga do compressor. A combinação "válvula + tubo capilar" permite aumentar ou restringir a abertura do dispositivo de expansão em relação à situação original. Um modelo numérico foi também desenvolvido para simular o escoamento de fluido refrigerante através de tubos capilares diabáticos e adiabáticos. Esse programa permitiu a determinação do diâmetro interno do tubo capilar que origina a mesma vazão mássica obtida com o conjunto válvula mais capilar. O consumo de energia foi medido em regime permanente, o que diminui substancialmente o tempo de ensaio, sem comprometer as análises realizadas. O ponto ótimo de operação do refrigerador foi obtido através do mapeamento do consumo de energia em todas as condições de operação impostas ao sistema. Ao todo, foram realizados 95 ensaios experimentais. Verificou-se que há uma ampla região de operação onde o consumo de energia é mínimo, região esta que engloba diversas combinações de tubo capilar e carga de refrigerante. Por sua vez, uma combinação inadequada de carga de refrigerante e restrição do dispositivo de expansão pode provocar aumentos de consumo de energia de até 30%. Por fim, propôs-se uma correlação empírica para estimar o consumo de energia de um refrigerador doméstico específico em função da restrição do dispositivo de expansão e da carga de refrigerante. Um procedimento, baseado num número reduzido de testes experimentais, foi também desenvolvido e validado para derivar tais parâmetros. Um algoritmo de minimização foi utilizado para determinar o ponto ótimo de operação. / According to the 2007 National Brazilian Energy Consumption Habits Research, the refrigeration and air conditioning equipment are responsible by 50% of the total energy consumption of the residential sector, which correspond to approximately 10% of the Brazilian overall energy production. This figure highlights the importance of undertaking research activities focused on the energy consumption of household refrigerators. There is plenty of evidence in the literature showing that each system requires an optimum refrigerant charge in order to reach a maximum efficiency level. In other words, the energy consumption is not only affected by the system components but also by the refrigerant charge. In this study an experimental apparatus was developed to simultaneously vary the refrigerant charge and the restriction of the expansion device. This apparatus is comprised of a charging device connected to a modified household refrigerator with a larger inner diameter capillary tube, and a step motor actuated needle valve installed in series and before the capillary tube. The charging device is comprised of a refrigerant cylinder, a load cell and two solenoid valves connected to the compressor suction and discharge lines. The combination of needle valve plus capillary tube allows the modulation of the restriction of the expansion device to values lower or higher than that of the original system. A mathematical model to simulate the refrigerant flow through diabatic capillary tubes was developed, validated and used to calculate the internal diameter of a capillary tube which is equivalent in terms of mass
flow rate to the restriction imposed by the capillary tube and needle valve combination. Steady-state energy consumption tests were carried out, varying the refrigerant charge and the restriction of the expansion device. Such an approach was adopted to speed up the process without losing the experimental tendency. A total of 95 measurements were made. The energy consumption was plotted in a contour map with the restriction of the expansion device on the x-axis and the refrigerant charge on the y-axis. It was shown that there is a wide region where the energy consumption reaches a minimum, which stretches over a range of expansion device restriction and refrigerant charge. It was also shown that an inappropriate combination of charge and expansion device can increase the energy consumption by up to 30%. Ultimately, an empirical correlation was proposed to estimate the energy consumption of a household refrigerator based on the restriction of the expansion device and refrigerant charge. A new methodology, based on a small amount of experimental data was proposed
and validated. A minimization algorithm was also developed and used to
identify the point of minimum energy consumption.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/96299 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Boeng, Joel |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Melo, Claudio |
| Publisher | Florianópolis, SC |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | viii, 141 p.| il., grafs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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