Notícia

Climatização & Refrigeração

Avaliação do comportamento de serpentinas resfriadoras com formação de gelo

Publicado em 01 novembro 2008

Por Alberto Hernandez Neto

O uso da refrigeração se iniciou em 1875 (Thévenot, 1979) e evoluiu bastante ao longo do tempo. Durante esta evolução, diversos aspectos têm sido estudados e, entre eles, destaca-se a otimização da operação de serpentinas em condições de baixa temperatura. Neste caso, o processo de formação de neve e degelo tem uma participação importante. O controle adequado do processo de degelo afeta principalmente a redução do consumo de energia e a adequada conservação de produtos.

A previsão do comportamento de serpentinas resfriadoras tem em si um grande desafio, pois incorpora aspectos bastante complexos do ponto de vista de modelagem de sistemas térmicos, a saber: escoamento bifásico com transferência de calor no lado do fluido refrigerante e transferência de calor com aletas de geometria complexa em conjunto com a formação de neve. Especificadamente, a formação de neve promove a degradação da transferência de calor na serpentina, o que resulta em uma redução da capacidade da serpentina. Para minimizar e/ou eliminar esta degradação, realiza-se o chamado processo de degelo, que incorre em consumo adicional de energia e possível degradação do produto conservado, em função do aumento de temperatura da câmara experimentado durante o processo de degelo.

Este artigo apresenta os resultados obtidos em testes realizados com serpentinas com diferentes geometrias e condições de operação, para avaliar a influência de parâmetros como espaçamento de aletas e temperatura de evaporação no processo de degelo, visando otimizar a operação de serpentinas em baixa temperatura.

Descrição do laboratório

A bancada experimental utilizada para as análises aqui apresentadas está localizada no Laboratório de Refrigeração do. Um esquema simplificado da bancada pode ser visto na Figura 1. Esta bancada foi dimensionada com base na norma NBR 15372 (ABNT, 2007), que apresenta o método de ensaio para evaporadores para baixa temperatura.

Nesta bancada é possível realizar o controle dos parâmetros apresentados na Tabela 1 com suas respectivas incertezas. Este controle pode ser feito atuando-se na válvula de controle, no fornecimento de energia dos aquecedores e na rotação do compressor. Este controle é manual, implicando muitas vezes em períodos de ajustes de horas para atingir-se determinada condição de teste. Todos os parâmetros do sistema de refrigeração são monitorados e armazenados por meio de um sistema de aquisição de dados dedicado. Os testes realizados dividiram-se em dois conjuntos: um no qual os evaporadores eram testados sem a formação de neve e outro no qual a formação de neve ocorria. Esta separação foi feita para permitir validar posteriormente modelo matemático para previsão de transferência de calor para evaporadores nas duas condições. Para cada conjunto definiu-se um grupo de parâmetros a serem variados que são apresentados na Tabela 2 com a sua respectiva faixa de variação. Com relação à geometria dos evaporadores, quatro evaporadores foram testados cujas características são apresentadas na Tabela 3. No caso dos evaporadores testados, o material dos tubos é constituído de cobre e das aletas, alumínio, sendo que as aletas são lisas sem nenhum elemento de intensificação de calor adicional.

O procedimento dos testes segue em parte o descrito na norma NBR 15372, na qual se considera que a bancada experimental atingiu regime permanente quando as variações de temperatura média do ar na câmara e as temperaturas de entrada e saída do fluido refrigerante não ultrapassem ±0,6°C. Ao atingir esta condição de regime permanente, um conjunto de medições é realizado durante 30 minutos pelo sistema de aquisição de dados. No caso dos testes sem formação de neve, a eliminação da neve e/ou gelo formado é realizada por meio de degelo elétrico. Procedimento idêntico é usado para os ensaios com formação de neve no qual, após atingir-se a condição de regime permanente, o sistema de degelo elétrico não é mais acionado, permitindo-se, assim, a formação de neve.

No momento em que se atinge o regime permanente, o sistema de aquisição de dados é acionado e os dados são coletados até o momento em que se verifica o estabelecimento de um novo regime permanente. Esta verificação é feita com base na leitura dos dados em conjunto com a verificação visual da condição da face da serpentina por meio de câmara de vídeo instalada no interior da câmara que propicia a avaliação do nível de bloqueio da face da serpentina pela neve formada. Após a aquisição dos dados, ocorre o tratamento destes dados para a obtenção da transferência de calor realizada durante o processo de formação de neve e uma curva deste processo é apresentada na Figura 2. Para todos os ensaios, foi realizada a análise de incerteza resultando em um valor de 8,3% para a avaliação da transferência de calor nos evaporadores.

Pode-se notar na Figura 2 a existência de três regiões distintas: a região 1, onde o evaporador opera sem formação de neve, a região 2, onde ocorre a formação de neve, e a região 3, onde o evaporador está completamente bloqueado pela neve. O tempo em que ocorre o processo de formação de neve (região 2) será denominado neste artigo como tempo de formação de neve e foi avaliado em todos os ensaios.

Na Figura 3 verifica-se que o tempo de formação da neve decresce à medida que a temperatura de evaporação do fluido refrigerante decresce. Comportamento semelhante pode ser verificado na Figura 4, que apresenta o gráfico do tempo de formação em função do espaçamento de aleta, no qual o aumento deste espaçamento promove um aumento do tempo de formação da neve. Já na Figura 5, que apresenta o gráfico do tempo de formação de neve em função da umidade relativa do ar, verifica-se que há uma redução do tempo de formação de neve com o aumento da umidade relativa do ar na entrada.

Considerações finais

A análise do processo de formação de neve é de extrema importância para melhor dimensionamento do controle do sistema de degelo para que não se incorra em gastos excessivos de energia e degradação dos produtos a serem conservados. Foi definido o parâmetro tempo de formação de neve como indicador para caracterização do processo de formação de neve. Este parâmetro foi avaliado em função de variação de outros parâmetros relevantes a evaporadores mostrando a sua dependência com cada um deles. Verifica-se que ainda há muito espaço para análise e estudos para melhor entender o comportamento destes trocadores de calor sob condições de formação de neve.

A próxima etapa no estudo será o desenvolvimento de um modelo que permita prever o comportamento destes evaporadores com e sem formação de neve.

 

Alberto Hernandez Neto é professor doutor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - Departamento de Engenharia Mecânica; o autor agradece o apoio da FAPESP na realização desta pesquisa.

 

Referências Bibliográficas:

ABNT, 2007.NBR 15372 – Resfriadores de ar para refrigeração – Métodos de ensaio.

Thévenot, R. 1979. A History of Refrigeration, Internacional Institute of Refrigeration, 476 pages.