Orientador : Prof. Dr. José Viriato Coelho Vargas / Co-orientador : Prof. Dr. Juan Carlos Ordonez / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 05/06/2015 / Inclui referências : f. 83-88 / Resumo: Esta Tese de doutorado apresenta um modelo matematico adimensional simplificado para um sistema de refrigeracao de compressao de vapor, operado em regime transiente, com objetivo de otimizar a resposta dinamica do sistema. O modelo combina os principios da termodinamica e da transferencia de calor e de massa aplicando-os aos componentes do sistema, assumindo volumes de controle termodinamicos para cada um dos componentes. O sistema de equacoes diferenciais ordinarias resultante e integrado em relacao ao tempo, com precisao e baixo tempo computacional. Grupos adimensionais adequados sao identificados e os resultados apresentados na forma de graficos normalizados com aplicacao geral para os sistemas semelhantes. Um sistema de refrigeracao piloto foi construido, instrumentado e utilizado para obtencao de dados reais de temperatura. Assim, o modelo foi ajustado a partir de um conjunto de dados experimentais e, entao, validado experimentalmente usando outro conjunto de dados experimentais. A seguir, o estudo aborda a otimizacao da alocacao de area total de troca termica entre os trocadores de calor, evaporador e condensador, para minimizar o tempo de pull-down. A avaliacao do desempenho do sistema e conduzida para tres fluidos refrigerantes: i) um refrigerante banido (CFC12), ii) um alternativo em relacao ao CFC12 com ODP = 0, mas com um alto potencial de aquecimento global, GWP (HFC134a), e iii) um dos atuais substitutos para o R134a, o HFO1234yf. Os resultados dinamicos mostram que, para um sistema projetado para utilizacao de R12, a substituicao por R1234yf descreve um desempenho do sistema mais proximo do R12 do que a substituicao por R134a. A configuracao ideal que promove, em estado estacionario, o maior coeficiente de performance (COP) e a maxima eficiencia de segunda lei tambem e investigada. Os resultados normalizados, para os refrigerantes R12, R134a, e R1234yf, mostram que a distribuicao ideal da area total de transferencia de calor entre o evaporador e o condensador, representada pela fracao da area total destinada ao evaporador, x4,opt 0,55, garante ao sistema o menor tempo de pull-down e maxima eficiencia de segunda lei. Entretanto, o maximo COP e obtido quando x4,opt 0,40. Esta diferenca, que ocorre na alocacao ideal de area quando analisado o tempo de pull-down e a eficiencia de segunda lei em relacao a alocacao ideal de area quando avaliamos o COP, e justificada pelo fato de que a analise de primeira lei nao contempla completamente as perdas termodinamicas do sistema devido as alteracoes nas areas dos trocadores de calor, mostrando a importancia da analise de segunda lei para obter resultados reais. No entanto, as variacoes na alocacao otima de area de troca termica do sistema foram observadas quando a razao entre os coeficientes globais de transferencia de calor dos trocadores afasta-se de 1. Este fato foi observado com R1234yf, evidenciando a importancia da analise de segunda lei para o projeto real de sistemas de refrigeracao por compressao de vapor. Palavras-chave: Refrigeracao. Alocacao de area. Trocador de calor. Area de transferencia de calor / Abstract: This study introduces a dimensionless simplified mathematical model of a vapor compression refrigeration system, in order to optimize the system dynamic response. The model combines principles of thermodynamics, heat and mass transfer applied to the system components with empirical correlations, assigning thermodynamic control volumes to each component, which yield a system of ordinary differential equations with respect to time that is integrated explicitly and accurately with low computational time. Appropriate dimensionless groups are identified, and the results are presented in the form of normalized charts for general application to similar systems. A pilot cooling system was built, instrumented and used to obtain temperature data. Thus, the model has been adjusted from a set of experimental data and, then, experimentally validated using other experimental data set. The study addresses the optimization of the heat exchangers heat transfer area inventory for minimum pull down time. A system performance comparison is conducted for three refrigerant fluids: i) a banned refrigerant (CFC12); ii) its original ozone depletion harmless substitute, but with a high global warming potential, GWP (HFC134a), and iii) one of the current substitutes of R134a, HFO1234yf. The dynamic results show that, for a system originally designed for R12, substitution with R1234yf depicts a closer performance to R12 than R134a. The optimal configuration that leads to steady state maximum system first (or coefficient of performance, (COP), and second law efficiencies is also pursued. The normalized results for refrigerants R12, R134a, and R1234yf show that an optimal heat transfer area distribution in both evaporator and condenser, represented by an evaporator to total system heat exchanger area ratio x4,opt 0.55 , leads the system to minimum pull down time and maximum system 2nd law efficiency, whereas x4,opt 0.4 to maximum COP, when the heat exchangers global heat transfer coefficients are of the same magnitude. The difference in the optimum location when the objective function is the pull-down time (and second law efficiency) and COP is due to the fact that the first law analysis does not fully capture the thermodynamic losses due to changes in heat exchangers' areas, which stresses the importance of a system second law assessment for realistic results. However, changes in the optima location are observed when the ratio of heat exchangers global heat transfer coefficients departs from 1. This fact was observed with refrigerant R1234yf, which points out their importance for actual refrigeration vapor compression systems design. Key-words: Refrigeration. Optimal area allocation. Heat exchanger. Total heat transfer area.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/43512 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Nunes, Tallita Karolline |
| Contributors | Ordonez, Juan Carlos, Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Vargas, José Viriato Coelho |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 92 f. : il. algumas color., grafs., tabs., application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFPR, instname:Universidade Federal do Paraná, instacron:UFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Disponível em formato digital |
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