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Diego Marchi
UMA ANÁLISE EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE
TROCADORES DE CALOR TUBO CAPILAR-LINHA DE
SUCÇÃO APLICADOS EM REFRIGERADORES DOMÉSTICOS
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Departamento de
Engenharia de Produção e Sistemas
da Universidade Federal de Santa
Catarina, como requisito parcial
para obtenção do título em
Engenharia Mecânica, habilitação
Produção Mecânica.
Orientador: Prof. Antonio Cezar
Bornia, Dr.
Florianópolis
2018
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária
da UFSC.
Diego Marchi
UMA ANÁLISE EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE
TROCADORES DE CALOR TUBO CAPILAR-LINHA DE
SUCÇÃO APLICADOS EM REFRIGERADORES DOMÉSTICOS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado e
aprovado, em sua forma final, pelo curso de Graduação em Engenharia
de Produção Mecânica, da Universidade Federal de Santa Catarina.
Florianópolis, 28 de junho de 2018.
__________________________
Prof.ª Marina Bouzon, Dr.ª
Coordenadora dos Cursos de Graduação em Engenharia de Produção
Banca Examinadora:
________________________________
Prof. Antonio Cezar Bornia, Dr.
Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________
Joel Boeng, M.Sc.
Co-orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
_____________________________________
Prof. Rogério Feroldi Miorando, Dr.
Universidade Federal de Santa Catarina
Dedico este trabalho aos meus pais e
todos os amigos que conheci na
UFSC, sobretudo aqueles que me
ajudaram durante toda a caminhada
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por toda a saúde e proteção, tanto minha quanto
de minha família, para que fosse possível chegar onde estou hoje.
À UFSC, por fornecer subsídios para um ensino de qualidade, os
quais fizeram um grande sonho se tornar realidade
Ao Prof. Cláudio Melo, pelo apoio desde o início das atividades
laboratoriais, também pelo fato de confiar trabalhos de suma
importância em minhas mãos, onde pude aprender muito, despertando
ainda mais o interesse pela área de ciências térmicas.
Aos colaboradores do laboratório POLO, Rodolfo Espíndola,
Fernando Knabben e Joel Boeng, pelo alto grau de instrução durante
toda a graduação e pelos momentos de descontração, em especial ao Joel
Boeng, por ter aceitado me orientar nesse trabalho.
À minha namorada, Loiane Cristina de Souza, pelo
companheirismo e paciência durante a realização deste trabalho,
sobretudo o apoio em realizar um trabalho de qualidade.
Às grandes pessoas que tive oportunidade de conhecer no
laboratório POLO, Guilherme Zanotelli e Igor Galvão, que além de
grandes tutores, tanto na vida quanto nos estudos, me apoiaram nos
momentos mais difíceis e se tornaram fortes amigos.
Ao Prof. Cezar Antônio Bornia, pelo companheirismo e
compreensão, e por ter aceitado a orientação do meu trabalho, mesmo
que fugindo à sua área de atuação.
Especialmente ao POLO, pela oportunidade de aprendizado e
crescimento, além do apoio financeiro que foi necessário para o sustento
durante a graduação. Além disso, agradeço imensamente pela estrutura
disponibilizada para aprendizagem e realização do trabalho de conclusão
de curso, que não poderia ser feito sem a mesma.
Por fim, à minha família. Meus pais, Amarildo Marchi e Márcia
dos Santos Marchi, pelo amor, apoio e por todos os sacrifícios feitos por
mim durante esse período, e ao meu irmão, Willian Marchi, por todo o
apoio nos momentos de difíceis decisões, e pela descontração em
momentos de aflição.
O sucesso é ir de fracasso em fracasso sem perder o entusiasmo” (Winston Churchill)
“Cada um terá a vista da montanha que subir.” (Ícaro Fonseca)
RESUMO
Uma das principais preocupações da sociedade atual é o
gerenciamento de recursos intrínsecos ao sustento do país como um
todo. A busca por fontes de energia sustentáveis tem se tornado cada vez
mais incessante, ao ponto que soluções inovadoras para a redução
marginal do consumo de energia tomam cada vez mais espaço dentro do
âmbito de pesquisa em engenharia. No Brasil, segundo documento
publicado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) ao final de 2015,
28,2% do consumo total de energia pertence ao setor residencial, sendo
que dentro do consumo residencial, cerca de 50% é proveniente do uso
de congeladores, refrigeradores e condicionadores de ar. Sendo assim, as
melhorias atreladas ao aumento da eficiência desse tipo de sistema são
de suma importância, e contribuem significativamente para a
sustentabilidade do panorama energético atual. Uma das alternativas
para que se possa prover um aumento na eficiência desse tipo de
sistema, é atacar seus principais componentes de forma individual.
Vários estudos foram desenvolvidos em cima do compressor, por
exemplo, onde foram propostas melhorias bastante significativas. Os
trocadores de calor, usados como condensador e evaporador em ciclos
de refrigeração, também tiveram melhorias substanciais ao longo do
tempo. No entanto, o presente trabalho tem por foco o dispositivo de
expansão, componente fundamental no ciclo de refrigeração, mais
especificamente, tratando de trocadores de calor tubo capilar – linha de
sucção. Dependendo do fluido refrigerante empregado no ciclo, esse
componente tem um alto potencial de aumento do COP do ciclo. No
entanto, existem diferentes formas possíveis de se fabricar esse trocador,
que, no presente trabalho serão abordadas como as geometrias
concêntrica, lateral com fita e lateral brasada. Cada configuração carrega
consigo uma determinada troca de calor, que depende de características
geométricas e operacionais. Sob ambos os vieses os trocadores foram
testados e analisados, sugerindo uma tendência em maior efetividade no
uso do trocador de calor brasado.
Palavras-chave: Refrigeração doméstica, tubo capilar,
dispositivo de expansão, trocador de calor
ABSTRACT
One of the main concerns of today's society is the management of
resources intrinsic to the livelihood of the country. The research for
sustainable energy sources has become increasingly incessant, wherein
innovative solutions to the marginal reduction of energy consumption
take more and more space within the scope of engineering research. In
Brazil, according to a document published by the Energy Research
Company (EPE) at the end of 2015, 28.2% of total energy consumption
belongs to the residential sector, and within residential consumption,
about 50% comes from the use of freezers, refrigerators and air
conditioners. Therefore, the improvements linked to the increased
efficiency of this type of system are of paramount importance and
contribute significantly to the sustainability of the current energy
environment. One of the alternatives to provide an increase the
efficiency of household refrigerating systems is to attack its main
components individually. Several studies have been developed over the
compressor, for example, where quite significant improvements have
been proposed. The heat exchangers, used as condenser and evaporator
in refrigeration cycles, also had substantial improvements over time.
However, the present work focuses on the expansion device,
fundamental component in the refrigeration cycle, more specifically,
dealing with heat exchangers capillary tube - suction line. Depending on
the refrigerant used in the cycle, this component has a high potential for
increasing the COP of the cycle. However, there are different possible
ways of making this exchanger, which in the present work will be
approached as the concentric geometries, lateral with tape and lateral
brazed. Each configuration carries with it a certain heat exchange, which
depends on geometric and operational characteristics. Under both biases
the heat exchangers were tested and analyzed, suggesting a more
effective trend in the use of the brazed heat exchanger.
Keywords: Household Refrigeration, Capillary Tube, Expansion
Device, Heat Exchanger.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Geladeira usada no século XIX ............................................ 21 Figura 2 - Experimento de William Cullen ........................................... 22 Figura 3 - Ciclo de refrigeração padrão ................................................. 23 Figura 4 - Consumo final na carga residencial ...................................... 24 Figura 5 - Etiqueta padrão utilizada pelo INMETRO ........................... 25 Figura 6 - Ciclo padrão.......................................................................... 27 Figura 7 - Ciclo com iHX ...................................................................... 28 Figura 8 - Seção transversal das configurações de TC-TCLS ............... 30 Figura 9 - Esquema da bancada experimental do tipo blow down ........ 37 Figura 10 - Aparato experimental de Dirik et. al .................................. 39 Figura 11 - Ciclo de refrigeração utilizado por Domanski .................... 40 Figura 12 - Efeito direto da efetividade no COP do sistema ................. 41 Figura 13 - Configuração utilizada por Chen e Lin ............................... 42 Figura 14 - Bancada experimental utilizada por Gonçalves (1994),
Mendonça (1996) e Zangari (1998) ....................................................... 43 Figura 15 - Trocadores usados por Dubba e Kummar .......................... 44 Figura 16 - Trocador de calor com escoamento paralelo ...................... 49 Figura 17 - Trocador de calor com escoamento contracorrente ............ 50 Figura 18 - Representação esquemática do TC-TCLS .......................... 51 Figura 19 - Região de efetividade para um trocador de calor
contracorrente ........................................................................................ 52 Figura 20 - Descrição do TC-TCLS: (a) Concêntrico; (b) Lateral ........ 53 Figura 21 - Contato entre o tubo capilar e alinha de sucção .................. 56 Figura 22 - Pressão vs indentação ......................................................... 56 Figura 23 - Bancada experimental TC-TCLS ....................................... 58 Figura 24 - Representação da bancada experimental ............................ 59 Figura 25 - Evaporador seco ................................................................. 60 Figura 26 - Representação das conexões de entrada e saída usadas na
seção de testes ....................................................................................... 62 Figura 27 - Representação sistemática dos controles da bancada ......... 63 Figura 28 - Programa de monitoramento e controle da bancada
experimental .......................................................................................... 65 Figura 29 - Representação da seção de testes ........................................ 65 Figura 30 - Seção transversal do isolamento da seção de testes ............ 67 Figura 31 - Taxa de transferência de calor e efetividade médias para
diferentes configurações de TC-TCLS .................................................. 70 Figura 32 - Taxa de transferência de calor e efetividade em função do
comprimento de troca para configuração com Fita Al .......................... 71 Figura 33 Diagrama de comando .......................................................... 82
Figura 34 Diagrama de potência ........................................................... 83 Figura 35 Tomografia do capilar 1 ....................................................... 85
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Matriz de testes experimentais ............................................. 47 Tabela 2 - Parâmetros geométricos das configurações .......................... 56 Tabela 3 - Resultados médios para as configurações testadas ............... 70 Tabela 4 - Lista de equipamentos ......................................................... 79 Tabela 5 - Medições dos diâmetros capilares ....................................... 87
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................ 21
1.1 CONTEXTO HISTÓRICO ........................................................ 21
1.2 CONSUMO DE ENERGIA E POLÍTICAS DE ETIQUETAGEM
.....................................................................................................24
1.3 CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO DE VAPOR ................ 26
1.3.1 Ciclo com trocador de calor TC–TCLS .................................. 28
1.4 CONFIGURAÇÕES DE TC-TCLS ........................................... 30
1.5 OBJETIVOS ............................................................................... 32
1.5.1 Objetivo Geral .......................................................................... 32
1.5.2 Objetivos específicos ................................................................. 32
1.6 ESTRUTURA............................................................................. 33
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................ 35
2.1 RETROSPECTIVA HISTÓRICA .............................................. 35
2.2 TRABALHOS RECENTES ....................................................... 38
3 METODOLOGIA ..................................................................... 45
4 CARACTERIZAÇAO TEÓRICA .......................................... 49
5 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL ............................ 55
5.1 AMOSTRAS DOS TC-TCLS ABORDADAS .......................... 55
5.2 BANCADA EXPERIMENTAL ................................................. 57
5.3 INTRUMENTAÇÃO ................................................................. 60
5.4 METODOLOGIA DE CONTROLE .......................................... 62
5.5 SEÇÃO DE TESTES ................................................................. 65
6 RESULTADOS ......................................................................... 69
7 CONCLUSÕES......................................................................... 73
REFERÊNCIAS ....................................................................... 75
APÊNDICE A – LISTA DE EQUIPAMENTOS
UTILIZADOS ........................................................................... 79
APÊNDICE B– SISTEMA ELÉTRICO, SISTEMA DE
CONTROLE E SISTEMA DE MEDIÇÃO DA BANCADA
EXPERIMENTAL ................................................................... 81
APÊNDICE C – CARACTERIZAÇÃO GEOMÉTRICA
DOS TUBOS CAPILARES ..................................................... 85
21
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTO HISTÓRICO
A relação entre a conservação dos alimentos e sua temperatura de
armazenamento é conhecida desde os primórdios da humanidade. Tal
fato é evidenciado por práticas usadas por povos antigos, como os
gregos e romanos, que envolviam neve em buracos com madeira e
palha, ou então a extração e armazenamento de gelo proveniente da
natureza, feita pelos chineses antes do primeiro milênio.
A importância do gelo como artifício de refrigeração para a
indústria e domicílios é notável desde o início do século XIX (REIF-
ARCHEMAN, 2012). Segundo Gosney (1982) o gelo era extraído de
rios e lagos e então distribuído por diversos meios de transporte até o
local destino, sendo estes, na maioria das vezes, domicílios os quais
possuíam aparatos específicos para conservar ou refrigerar alimentos e
bebidas. Esses aparatos usados em domicílios da época, ilustrados pela
Figura 1 eram denominados por geladeiras, ou originalmente por
iceboxes.
Figura 1 - Geladeira usada no século XIX
Fonte: Shiloh Museum of Ozark History, 2009
É importante salientar que a comercialização de gelo, em larga
escala, deve-se primordialmente a Frederic Tudor1, que em 1806, iniciou
1 Frederic Tudor (1783-1864), The “Ice King” of the world (Notas de aula
da disciplina de fundamentos da refrigeração, 2017)
22
a venda de gelo extraído do rio Hudson no estado de Nova Iorque,
Estados Unidos. No entanto, a Figura 1 demonstra uma grande
superação em um dos maiores obstáculos da época: a inexistência de
isolantes térmicos de qualidade. É possível verificar a real importância
do gelo na época através do fato de que no início do século XX, as 10
maiores empresas da bolsa de valores de Nova Iorque exploravam o
gelo natural (Melo, 2017).
Durante os séculos XVIII e XIX a área de refrigeração foi
bastante estudada na Europa, de forma mais notória na França e na
Inglaterra. Entretanto, apesar dos resultados obtidos com o gelo serem
satisfatórios para a época, impedimentos como a dificuldade de extração
e a necessidade de reposição fomentaram o desenvolvimento de
diferentes alternativas para a refrigeração. Dessa forma, em meados do
século XVIII, William Cullen conduziu experimentos com refrigeração
artificial envolvendo evaporação do éter ( ), e, apesar de obter
gelo através do uso de um ciclo aberto como mostra a Figura 2, o
sistema ainda possuía caráter custoso pela necessidade de reposição do
fluido de trabalho, por se tratar de um sistema aberto. No entanto,
apenas em 1834, Jacob Perkins apresentou o primeiro ciclo fechado de
refrigeração, principiando a refrigeração por compressão mecânica de
vapor. O ciclo fechado ilustrado pela Figura 3 foi estudado por James
Harrison, que patenteou o primeiro equipamento comercial de produção
de frio por compressão mecânica de vapor, o qual foi apresentado à
sociedade em 1862 (BOENG, 2012).
Figura 2 - Experimento de William Cullen
Fonte: Knabben, 2010
23
Figura 3 - Ciclo de refrigeração padrão
Fonte: Zanotelli, 2017
A aplicação do gelo como agente principal na refrigeração e
conservação dos alimentos perdurara por muito tempo após a introdução
da refrigeração mecânica. O fato, é que existia um mercado bastante
consolidado para a época, o que gerava vários impedimentos para a
adesão da refrigeração por compressão mecânica de vapor dentro das
residências na época. Tais fatos podem ser comprovados mediante
verificação da mídia, por volta de 1928, onde o New York Times e outros
jornais faziam campanha para eliminar os refrigeradores domésticos do
mercado, devido ao uso de refrigerantes tóxicos.
Um ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor se
baseia na capacidade de determinadas substâncias absorverem ou
liberarem grandes quantidades de energia durante processos de mudança
de fase (BOENG, 2012). Essas substâncias, denominadas fluidos
refrigerantes, foram uma das maiores barreiras para o desenvolvimento do mercado de refrigeração; Apesar da grande pressão exercida nesse
nicho, o mercado conseguira se desenvolver após a introdução de
fluidos refrigerantes do tipo hidrocarbonetos halogenados, os CFCs, que
24
agora não apresentavam mais os problemas com toxicidade e
flamabilidade anteriormente citados.
Atualmente os sistemas de refrigeração por compressão mecânica
de vapor dominam o mercado, mas ainda existem críticas quanto ao uso
de alguns fluidos refrigerantes. Os CFCs foram associados à depleção da
camada de ozônio, já outros fluidos apresentam efeitos relacionados ao
efeito estufa e o aquecimento global como o R-134a. Uma das grandes
apostas atualmente é o uso do fluido R600a, por apresentar baixos
potenciais de poluição mantendo um desempenho aceitável no ciclo de
refrigeração, tal fluido será usado como base nesse trabalho para
descrever os fenômenos relacionados a troca de calor entre tubos
capilares e linha de sucção.
1.2 CONSUMO DE ENERGIA E POLÍTICAS DE ETIQUETAGEM
Atualmente estima-se que existem mais de 1 bilhão de
refrigeradores domésticos espalhados pelo planeta (COULOMB, 2006),
os quais representam uma grande fatia no mercado consumidor de
energia elétrica, conforme é demonstrado na Figura 4. Desde 1984, no
Brasil, o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia
(INMETRO) vem buscando demonstrar, na forma de indicadores, a
eficiência energética com que operam os eletrodomésticos, usando uma
base comum.
Figura 4 - Consumo final na carga residencial
Fonte: Eletrobras, 2007
25
Segundo o histórico do programa brasileiro de etiquetagem
(Procel), publicado pelo INMETRO em 2015, em 2001 foi publicada a
lei da Eficiência Energética, encarregando o próprio INMETRO de
definir valores mínimos para as eficiências dos produtos, inclusive,
rotulando-os com etiquetas, conforme demonstrado na Figura 5. Apesar
do grande fomento à adesão de refrigeradores mais eficientes, por parte
dos órgãos governamentais, segundo o INMETRO, ainda são muitos os
casos onde as pessoas desconhecem uma métrica adequada para a
comparação de eletrodomésticos do ponto de vista do consumo de
energia, no entanto, a etiqueta trouxe grandes avanços, demonstrando
ser um bom indicador.
Figura 5 - Etiqueta padrão utilizada pelo INMETRO
Fonte: INMETRO, 2018
Além dos dados dispostos na Figura 4, também foi constatado que 96% da população brasileira possuímos pelo menos um refrigerador
em casa, além do que a média dos refrigeradores por domicílio
aumentou em quase 20% (PROCEL, 2015). No ano de 2012, o setor
residencial foi responsável por 26% de toda a energia elétrica consumida
no Brasil (EPE, 2013). Pode-se afirmar, portanto, que os refrigeradores
26
domésticos foram responsáveis por mais de 7% de toda a energia
consumida no país. Para se ter uma ideia da magnitude do consumo
brasileiro e quão significativa é essa fatia, segundo o relatório de 2015,
publicado pelo Procel, coordenado pela Eletrobras, o consumo em 2014
foi de 473,4 bilhões de KWh.
Estabelecida a importância de demanda de energia elétrica,
proveniente dos refrigeradores, segundo Colombo (2014), o governo
vem desenvolvendo inciativas para incentivar o aumento da eficiência
nesses aparelhos, com incentivos tanto para as indústrias, quanto para os
consumidores. A principal de forma de se reduzir o consumo dos
referidos sistemas de refrigeração, é atacar seus componentes principais,
avaliando suas perdas. Vários estudos foram desenvolvidos nesse
âmbito, levando a significativos incrementos no coeficiente de
desempenho (COP – do inglês Coefficient of Performance), em cada
componente, como o compressor e os trocadores de calor (Evaporador e
Condensador. Entretanto, uma das maneiras de efetuar melhorias no
COP dos refrigeradores, além de aprimorar seus componentes, é através
do desenvolvimento de ciclos alternativos de compressão mecânica de
vapor (MELO; SILVA, 2010).
1.3 CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO DE VAPOR
Segundo Galvão (2016), entende-se por refrigerador um aparelho
eletrodoméstico cuja função objetivo é conservar os alimentos frescos
ou congelados por meio do controle de temperatura, possível através da
remoção de calor. De forma básica, é possível dizer que um refrigerador
é composto por um gabinete termicamente isolado acoplado a um
sistema de refrigeração que remove a carga térmica do ambiente interno
e rejeita ao ambiente externo.
Os refrigeradores domésticos, em sua grande maioria, empregam
sistemas de compressão mecânica de vapor, os quais são constituídos,
basicamente, por quatro componentes – compressor, condensador,
dispositivo de expansão e evaporador (BOENG, 2012). A junção desses
componentes justapostos forma um ciclo termodinâmico, conforme
demonstrado na Figura 6.
Conforme demonstrado pela Figura 6, e segundo ZANGARI
(1998), esses quatro componentes básicos são acoplados, originando um
sistema fechado, sendo necessário o uso de um fluido de trabalho, de
natureza volátil. Nesse tipo de sistema, o fluido de trabalho é mantido à
baixa temperatura e pressão no evaporador e a alta temperatura e
pressão no condensador, devido a ação contínua do par compressor –
27
dispositivo de expansão (ZANGARI, 1998). Dessa forma, por meio da
remoção de calor do meio que deseja refrigerar (Qe), o fluido
refrigerante é vaporizado no evaporador. Subsequentemente, no
condensador, o fluido é condensado, mediante rejeição de calor para um
meio à alta temperatura (Qc).
Figura 6 - Ciclo padrão
Fonte: Zanotelli, 2017
Ainda na Figura 6, é possível descrever os quatro processos
distintos, inerentes ao ciclo de refrigeração. Conforme mencionado por
Silva (2008), tem-se quatro processos principais, que formam um ciclo
padrão de refrigeração por compressão mecânica de vapor, conforme a
seguinte descrição.
1-2 Compressão isentrópica (s=constante)
2-3 Rejeição isobárica de calor
3-4 Expansão isentálpica (h=constante
4-1 Absorção isobárica de calor
No processo 1-2, o vapor parte da condição de vapor saturado e é
comprimido isentropicamente até o ponto 2, onde estará no estado de
vapor superaquecido e com uma pressão , maior que .No processo
2-3 o fluido perde calor para o ambiente externo, de forma isobárica,
mediante um trocador de calor, sendo que existe um parcela de calor
trocado de forma sensível e outra parcela latente. No processo 3-4 o refrigerante escoa através de um dispositivo de expansão, agora de
forma adiabática, tendo sua pressão reduzida de para . Nesse
processo de expansão parte do líquido evapora, originando uma mistura
bifásica na entrada do evaporador. Semelhante ao processo 2-3, que faz
28
uso de um trocador de calor, o processo 4-1 também o utiliza,
absorvendo calor do meio a ser refrigerado e o transferindo para o fluido
refrigerante de forma isobárica.
Conforme descrito por Zangari (1998), o funcionamento do
sistema de refrigeração em questão é caracterizado pelos níveis de
pressão de condensação ( ) e de evaporação ( ) e pelos graus de sub-
resfriamento ( ) e superaquecimento ( ), onde tais parâmetros
são funções do desempenho da cada um dos componentes, da
temperatura ambiente e da carga de fluido refrigerante.
1.3.1 Ciclo com trocador de calor TC–TCLS
Conforme descrito anteriormente, o presente estudo apresenta
fundamental relevância no perfil de consumo de energia brasileiro,
sendo possível ainda salientar que deveras significativo é o esforço
imposto por parte das empresas para reduzir os custos sem prejudicar a
performance de seus produtos. Assim sendo, uma das maneiras de
efetuar melhorias no coeficiente de desempenho dos refrigeradores,
(COP – do inglês Coefficient of performance), dado pela equação (1.1,
além de aprimorar seus componentes, é através do desenvolvimento de
ciclos alternativos de compressão mecânica de vapores (MELO; SILVA,
2010). Uma alternativa amplamente utilizada é o ciclo com trocador de
calor interno (iHX – do inglês internal heat exchanger), representado
pela Figura 7.
Figura 7 - Ciclo com iHX
Fonte: Zanotelli, 2017
O iHX tem por função realizar uma troca de calor entre o fluido
na saída do dispositivo de expansão e na saída do evaporador, conforme
SUB
SUP
29
ilustrado pela Figura 7. A função principal desse tipo de trocador é
prover um incremento no superaquecimento ( ) e no subresfriamento
( ) pertinentes ao ciclo, conforme demonstrado no diagrama P-h da
Figura 7. É possível fazer uma comparação rápida entre os diagramas P-
h das figuras 6 e 7, identificando a mudança pertinente nos ciclos.
(1.1)
Nas análises em questão, trataremos esse tipo de trocador como
trocador de calor tubo capilar-linha de sucção ( ). O referenciado
iHX tem a mesma função, mas foi apenas descrito qualitativamente. No
caso do trocador em questão, o tubo capilar é posto em contato com a
linha de sucção, formando um trocador contracorrente, o que impacta
diretamente no processo de expansão através do tubo capilar,
configurando um escoamento não-adiabático.
De acordo com Silva (2008), no trocador de calor TCLS, o
líquido à alta pressão e temperatura, proveniente do condensador troca
calor, ao longo do tubo capilar, com o vapor saturado ou superaquecido,
a baixa pressão e temperatura, proveniente do evaporador. Após o
processo de expansão, o fluido refrigerante apresenta-se na forma de
uma mistura bifásica, líquido-vapor. Segundo Zangari (1998), como a
troca de calor latente envolve quantidade bem maiores de energia
quando comparada a troca sensível, é conveniente que se tenha a menor
quantidade possível de vapor na entrada do evaporador, já que o mesmo
não contribui para a capacidade de refrigeração ( ) do sistema. Além
disso, conforme descrito por Zanotelli (2017) também garante que a
temperatura do fluido na sucção do compressor esteja próxima ao
ambiente, evitando a entrada de líquido no mesmo.
A equação (1.1 demonstra o coeficiente de desempenho
representando as duas principais medidas para um ciclo de compressão
de vapores, entretanto, é necessário realizar uma análise dessas duas
variáveis quando da aplicação de trocadores de calor TCLS. Zangari
(1998) afirma que o aumento na capacidade de refrigeração,
proporcionado pelo uso do TCLS trata-se de uma característica inerente
a qualquer sistema que o use, utilizando qualquer fluido refrigerante.
Todavia, vale aqui a ressalva de que, embora a capacidade de
refrigeração tenha seu aumento garantido, o mesmo pode não acontecer
com o , sendo essa uma medida fluido-dependente para o ciclo. Isso
acontece devido ao fato de que a condição na entrada do compressor
30
também é alterada, mudando os valores de para alguns fluidos
refrigerantes, e, conforme verificado por Domanski e Didian (1994), os
trocadores de calor TCLS são então indicados para sistemas que
utilizam HFC-134a, HC-600a e CFC-12, mas não para sistemas que
utilizam HCFC-22.
1.4 CONFIGURAÇÕES DE TC-TCLS
A troca de calor realizada entre o tubo capilar e a linha de sucção
pode ser feita de diferentes formas, envolvendo diferentes geometrias e
materiais, que influenciarão de forma a aumentar ou diminuir a
efetividade de troca, que é um alvo principal do trabalho em questão. As
diferentes configurações de TC-TCLS que serão abordadas nesse
trabalho podem ser verificadas na Figura 8, sendo que as três figuras
apresentam as configurações mais utilizadas em refrigeração doméstica
atualmente. Com a verificação da seção transversal das diferentes
configurações, é possível perceber que existem diferentes mecanismos
de transferência de calor associados, os quais serão representados pela
efetividade de cada trocador, avaliada individualmente de forma
experimental. Além disso, ainda é possível avaliar mudanças de material
e dimensionais nas configurações, explorando o ponto de vista da troca
de calor e a respectiva efetividade.
Figura 8 - Seção transversal das configurações de TC-TCLS
a) Lateral brasado b) Concêntrica c) Lateral–Fita
Fonte: Tabares, 2018
Como forma de ranquear cada uma das configurações citadas, é
preciso que se use uma métrica poderosa o suficiente, que possa
representar com clareza a diferença entre a troca de calor para cada
31
configuração, para tanto, será analisada a efetividade do trocador. Cabe
aqui a menção de que a efetividade do trocador de calor é fundamental
para o aumento do desempenho do sistema. A efetividade ( ) é
demonstrada da equação (1.2).
( )
( )
( ) ( )
(
1.2)
Basicamente, a efetividade de um trocador de calor qualquer pode
ser definida como a razão entre taxa de calor trocada e a taxa máxima de
transferência de calor possível. Como se pode perceber, as taxas de
capacidade térmica, representadas por , ao final da manipulação,
são consideradas iguais, deixando apenas como variáveis intrínsecas à
equação as temperaturas pertinentes ao trocador de calor. As
temperaturas e representam o fluido na entrada e saída da
linha de sucção do trocador de calor, enquanto .é a temperatura na
entrada do tubo capilar do trocador em questão. A equação (1.2) pode
ser considerada como uma aproximação termodinâmica da efetividade
do trocador de calor. Outro parâmetro importante que pode ser
determinado de forma experimental, é a quantidade de calor trocada no
trocador ( ), que pode ser obtida tanto pelo lado do tubo capilar,
quanto pelo lado da linha de sucção. Como o fluido estará, de forma
garantida, no mesmo estado na entrada e saída da linha de sucção,
optou-se por avaliar a troca de calor através da mesma, definindo
completamente os estados termodinâmicos pelas medições simultâneas
de temperatura e pressão. A equação (1.3) mostra a troca de calor
pertinente a uma configuração qualquer.
(
1.3)
Embora o calor trocado no capilar não seja uma variável
intrínseca somente ao trocador de calor e sim de um conjunto de
variáveis inerentes ao sistema, sua análise também se torna importante
na comparação dos trocadores mantendo-se as demais variáveis
constantes, como pressão de descarga, pressão de evaporação e outras
variáveis operacionais. O que se espera é que, ao combinar as medições
de efetividade e calor trocado dos trocadores, seja possível caracteriza-
32
los de forma concreta, qualificando-os de acordo com o incremento no
coeficiente de desempenho do ciclo padrão de refrigeração.
Apresentadas as configurações que serão abordadas no presente
estudo, será necessário agora, realizar análises pertinentes aos
mecanismos de troca de calor, para se realizar a devida avaliação do
ponto de vista térmico. No entanto, é necessário que se mantenha o foco
na função objetivo do estudo, que consiste em apontar um trocador
TCLS com custo e efetividade otimizados. O interesse das empresas em
promover incrementos na eficiência de seus produtos, servindo até como
diferencial estratégico é crescente e justificado nos perfis de consumo
energético e outros motivos na comentados, todavia, a corrida pela
redução de custos dentro da organização é verdadeiramente uma força
motriz, que fomenta o desenvolvimento de trabalhos de pesquisa
aprofundados, que apontem a direção correta em ambos os lados, tanto
da promoção de eficiência dos produtos, quanto da eficiência da
empresa, que implica diretamente na redução de custos.
1.5 OBJETIVOS
1.5.1 Objetivo Geral
Estabelecido o panorama estratégico da otimização do COP de
ciclos de refrigeração dentro de uma empresa fabricante de
refrigeradores e então a definição da real necessidade do
desenvolvimento tecnológico na área de trocadores de calor TCLS,
perante as necessidades da indústria, é necessário apontar com clareza, e
de forma justificada, a melhor configuração de TCI. Assim sendo, o
presente trabalho objetiva identificar experimentalmente a melhor
relação entre efetividade e custo de fabricação nas configurações
distintas de trocadores de calor interno de linha de sucção, em função
dos materiais e geometria.
1.5.2 Objetivos específicos
O presente trabalho tem como objetivos específicos:
Desenvolver, construir e validar uma bancada
experimental que seja capaz de criar e manter condições
de operação de sistemas reais, de forma que o TC-TCLS
possa ser avaliado em diferentes condições de operação;
Comparar os dados experimentais obtidos através da
bancada para cada amostra de trocador ensaiada
apontando os ganhos ou déficits na efetividade de troca
33
das 3 configurações testadas: lateral brasada, concêntrica
e lateral com fita Al.
Identificar as variáveis geométricas e de sistema mais
significativas no processo de transferência de calor,
comparando com as informações obtidas na literatura em
experimentações anteriores para que se possa entender o
mecanismo de troca, e assim, disponibilizar informações
sucintas a respeito do fenômeno experimentado;
Apontar qual é o trocador de calor mais eficiente do
ponto de vista da efetividade térmica e troca de calor.
1.6 ESTRUTURA
Esta monografia foi estruturada em algumas partes principais. A
primeira contém uma contextualização do tema, realizada de forma
sucinta nos capítulos 1 e 2, envolvendo uma breve caracterização dos
custos envolvidos nos TC-TCLS para a empresa fabricante de
refrigeradores. Os objetivos e justificativas estão contidos nessa
primeira parte, compreendendo algumas informações importantes
relacionadas aos trocadores de calor e sua aplicação na indústria, além
de uma análise sucinta do panorama energético atual. A segunda parte
consiste basicamente na metodologia empregada, que irá ter seu maior
foco na abordagem do aparato experimental, descrevendo-o de forma
detalhada, passando pelas partes de desenvolvimento do mesmo. Além
disso, ter-se-á uma breve caracterização teórica e experimental,
abordando o trocador de calor de ambos os vieses. A terceira e última
parte terá a apresentação dos resultados obtidos para as amostras
estudadas, trazendo análises pertinentes aos dados obtidos, além de
conclusões e sugestões para trabalhos futuros.
34
35
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 RETROSPECTIVA HISTÓRICA
Conforme demonstrado na seção CONFIGURAÇÕES DE TC-
TCLS, a geometria envolvida na fabricação de TC-TCLS é bastante
simples, no entanto, a fenomenologia envolvida no processo de
expansão tende a ser bastante complicada, A expansão em si, contém
diversos processos que serão enfatizados mais adiante, mas a adição da
transferência de calor imposta pelo contato com a linha de sucção torna
a análise ainda mais complicada, principalmente do ponto de vista
teórico. Dessa forma, é possível encontrar estudos dirigidos a essa área
desde os anos 40, envolvendo diversas pesquisas direcionadas ao estudo
do tubo capilar e processo de expansão.
De acordo com Zangari (1998), os tubos capilares são utilizados
em larga escala como dispositivo de expansão em refrigeradores. Esse
uso é justificado até hoje por diversas vantagens como facilidade de
fabricação, baixo custo, entre outras. A aplicação do tubo capilar teve
início na década de 20, quando o dióxido de enxofre era o principal
fluido refrigerante (SWART, 1946). Tal citação tem sua importância no
fato de que os tubos capilares e sua aplicação estão diretamente
correlacionados com o desenvolvimento na área de refrigeração,
sobretudo em fluidos refrigerantes. Zangari (1998) ainda afirma que a
aplicação de tubos capilares foi fortemente impulsionada em 1930. Esse
impulso se justificara através do advento da mudança na indústria da
refrigeração, sobretudo a introdução dos CFCs e de sistemas herméticos.
Alguns anos mais tarde, ainda na década de 40, Zangari (1998)
afirma que a utilização de tubos capilares bem como o uso de TC-TCLS
em sistemas de refrigeração se tornou uma prática habitual.
Swart (1946) foi o primeiro a realizar experimentos com um tubo
capilar e um trocador de calor TCLS.do tipo lateral. O autor propôs um
procedimento semi-empírico para a determinação do comprimento do
capilar. No entanto o foco do trabalho foi mostrar o incremento na
capacidade de refrigeração quando do emprego de um trocador de calor,
fazendo uso do fluido refrigerante CFC-12. Foram apresentados gráficos
da distribuição de pressão ao longo do tubo capilar, destacando os
regimes linear e exponencial, decorrentes das regiões de escoamento
líquido e bifásico.
Stabler (1946) apresentou diagramas para a seleção de tubos
capilares, também fazendo uso de um TC-TCLS, mas sem apresentar a
configuração geométrica adotada para o experimento. Mais tarde,
36
Bolstad e Jordan (1949) realizaram testes usando CFC-12, obtendo
resultados experimentais para trocadores laterais, fazendo uso de um
sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapores. Este
trabalho teve grande importância na época devido a abrangência das
variáveis envolvidas nos testes, sendo que os resultados circundaram
análises feitas a partir dos perfis de temperatura ao longo do tubo capilar
e o comportamento da vazão mássica, quando da sujeição do sistema as
diversas variáveis envolvidas.
Christensen e Jordan (1967) agregaram mais informações para a
configuração lateral de TC-TCLS usando CFC-12 como fluido
refrigerante. Esse trabalho teve destaque pela abrangência das variáveis
operacionais da bancada experimental, bem como subresfriamento,
temperaturas de condensação e evaporação e comprimento de entrada.
Apesar de realizar os testes com um sistema de refrigeração por
compressão mecânica de vapores, a bancada teve diferenciação de um
sistema real pelo fato de usar uma solução de baixo ponto de
solidificação para manter o contato entre o capilar e a linha de sucção,
fugindo da brasagem convencional. Os resultados experimentais foram
dispostos na forma de diagramas, representando através do
comportamento do fluxo mássico os efeitos da mudança de posição do
trocador de calor e das variáveis operacionais.
Pate (1982), realizou análises para o escoamento de fluido
refrigerante em tubos capilares adiabáticos e não-adiabáticos. Fazendo
uso de um aparato experimental do tipo blow down (Figura 9), foram
testadas configurações de TC-TCLS do tipo concêntrico e lateral
brasado.
37
Figura 9 - Esquema da bancada experimental do tipo blow down
Fonte: Pate, 1982
Um diferencial do trabalho de Pate foram as medições de pressão
ao longo do tubo capilar e de temperatura tanto na linha de sucção
quanto no tubo capilar. Apesar de significativo, o trabalho teve déficits
que devem ser levados em consideração. Os testes foram realizados com
ar escoando na linha de sucção, ao invés de fluido refrigerante, além
disso, o comprimento do trocador foi variado com a abertura e
fechamento das tomadas de pressões, o que pode ter sido uma fonte de
incertezas nos resultados. No entanto a contribuição desse trabalho pode
ser considerada efetiva, por ter gerado o primeiro modelo de previsão de
vazão mássica para tubos capilares não-adiabáticos, além disso, outro
ponto importante a se observar é o fato do autor afirmar que não
presenciou eventos de metaestabilidade ao longo dos testes, quando da
submissão do capilar e da linha de sucção à troca de calor.
Devido à complexidade fenomenológica envolvida no processo
de expansão em tubos capilares, aliados ainda a troca de calor, o reporte
de dados suficientemente confiáveis pode ser considerado deveras
dificultoso. Os trabalhos apresentados até aqui carregam as dificuldades
da época em ter medições satisfatórias do ponto de vista das incertezas.
Sendo assim, os trabalhos descritos, e mais outros tantos que não foram
mencionados tiveram grande importância no fomento ao
desenvolvimento do estudo nessa área, sobretudo ao acompanhamento
do desenvolvimento tecnológico das formas de se fazer frio. Assim, os dados estatísticos se tornam pouco usuais na atualidade, tanto pela
validade experimental quanto pelo fluido refrigerante CFC-12, que não é
mais utilizado.
38
2.2 TRABALHOS RECENTES
Os trabalhos descritos a partir de agora, não são tão recentes
quanto sugere o título, englobando 25 anos de pesquisa. No entanto, o
desenvolvimento tecnológico permitira maior veemência nos estudos
experimentais em tubos capilares e trocadores de calor TCLS, dando
espaço a análises mais confiáveis que fornecem suporte à indústria do
ramo de refrigeração. Começam aqui a aparecer estudos numérico
experimentais, que propõem modelos, que podem ser ajustados com
testes, contribuindo no correto dimensionamento do dispositivo de
expansão dos sistemas.
Dirik et. al (1994) conduziram o primeiro estudo numérico e
experimental, tendo como objetivo trocadores de calor2 do tipo
concêntrico. O aparato experimental consiste em um sistema de
refrigeração básico devidamente instrumentado, contendo controladores
para as variáveis operacionais. Foram realizados experimentos com
adiabáticos e não-adiabáticos, no aparato apresentado na Figura 10,
utilizando como fluido refrigerante HFC-134a e condições operacionais
próximas as de refrigeradores domésticos. Foram apresentados perfis de
pressão ao longo do tubo capilar além de um modelo numérico. Os
resultados tiveram bastante coerência com desvios dentro da faixa de
10% para a vazão mássica.
2 A menção de trocadores de calor aqui se refere exclusivamente aos TC-TCLS
39
Figura 10 - Aparato experimental de Dirik et. al
Fonte: Dirik et. al, (1994)
Nesse ponto da linha do tempo, é possível perceber que começam
a aparecer os fundamentos para a compreensão da influência do trocador
no sistema como um todo. A necessidade era realmente relacionar o
aumento no coeficiente de desempenho do sistema a partir do uso do
trocador de calor, levando em consideração um parâmetro que servisse
como métrica para qualificar o mesmo, no caso, a efetividade.
Domanski (1994) realizou um estudo aprofundado em trocadores de
calor do tipo SL/LL-Hex (do inglês: suction-line/liquid-line heat
exchanger), demonstrando os resultados na forma de um artigo. A
análise envolveu um ciclo conforme a Figura 11, onde a troca de calor
não é realizada em todo o capilar, mas sim antes do dispositivo de
expansão, e por isso configura uma troca apenas com líquido.
40
Figura 11 - Ciclo de refrigeração utilizado por Domanski
Fonte: Domanski, 1994
Frente ao ciclo apresentado foram feitas diversas análises
considerando os fluidos refrigerantes mais utilizado pela indústria. Um
ponto importante que pode ser observado no gráfico apresentado pela
figura 12 é aumento do COP com a efetividade do trocador, conforme já
mencionado, que para alguns fluidos, a partir de um determinado
patamar, passa a ser indiferente. Embora a análise tenha tido base
teórica, vinte e nove fluidos foram analisados, sendo que os mais
importantes tiveram destaque seguido de representação gráfica, onde é
possível perceber claramente a influência do trocador no coeficiente de
desempenho do ciclo.
Gonçalves (1994), conduziu estudos abordando o escoamento dos
refrigerantes R-12, R134a e R600a mediante o desenvolvimento de uma
bancada experimental. Cerca de 890 pontos experimentais foram
gerados com a finalidade de prover suporte ao desenvolvimento de
modelos computacionais, sendo analisado o comportamento da vazão
mássica para diversas condições operacionais e geométricas. Mais tarde,
Mendonça (1996), utilizou uma versão modificada da bancada de
Gonçalves (1994) para avaliar o desempenho de trocadores de calor do
tipo lateral brasado, usando R134a como fluido refrigerante. Uma
grande contribuição do trabalho de Mendonça (1996) foi demonstrar a baixa relevância de problemas mencionados por estudos anteriores,
como o de Pate (1984), relacionados ao uso de sistemas de refrigeração
por compressão mecânica de vapores. Ainda mais tarde, Zangari (1998)
fez uso do mesmo aparato experimental para avaliar trocadores de calor
do tipo concêntrico. Os trabalhos de Mendonça (1996) e Zangari (1998)
41
serviram de base para validação de um modelo proposto por Mezavilla
(1995) que havia reportado a informação de que o trocador brasado
demonstrara predominância sobre o concêntrico no que diz respeito a
eficiência térmica.
Figura 12 - Efeito direto da efetividade no COP do sistema
Fonte: Domanski, 1994
Partindo para os anos 2000, houveram estudos relacionando a
presença de metaestabilidade quando do uso de TC-TCLS num sistema
de refrigeração por compressão mecânica de vapores. Nesse contexto,
Chen e Lin (2001) conduziram estudos que apontaram a presença de
metaestabilidade quando da decorrência de déficits na troca de calor
imposta pelo TC-TCLS. Um ponto que se assimila com o presente
estudo, é que o trocador de calor foi envolvido com uma fita de
alumínio, conforme a figura 13 com a intenção de prover aumento na
troca de calor. No entanto, não foram comparadas diferentes amostra
sob o viés da efetividade térmica, sendo que o estudo se direcionou a
prever a relação da metaestabilidade com a troca de calor.
42
Figura 13 - Configuração utilizada por Chen e Lin
Fonte: Chen e Lin, 2001
Um trabalho importante foi realizado por Melo et. al (2002), que
fez uso dos dados experimentais de trocadores de calor do tipo
concêntrico obtidos por Zangari (1998), utilizando R-600a como fluido
refrigerante. O estudo teve como resultado uma correlação empírica para
a vazão mássica para expansão não-adiabática, além de outra correlação
para prever a temperatura de saída da linha de sucção do trocador.
Hermes (2008) trouxe diferentes modelagens para caracterização
de escoamento em tubos capilares adiabáticos e não-adiabáticos. Devido
a abordagem adotada ter possibilitado grande estabilidade numérica e
velocidade computacional, esse estudo proveu grande contribuição para
a modelagem de escoamento em tubos capilares. A temperatura de saída
da linha de sucção foi prevista de forma direta, através de uma
efetividade para o trocador de calor. A validade do modelo foi
comprovada no fato de que mais de 80% de um total de 1200 pontos
experimentais ficaram dentro de uma faixa de erro de 10%, quando
comparados as previsões. Mais adiante, Hermes (2010) apresentou uma
modelagem específica para escoamento não-adiabático em tubos
capilares, apresentando bons resultados através de uma metodologia
abrangente para previsão da vazão mássica com o uso do trocador.
Kaleem et. al (2009) avaliaram configurações de TC-TCLS
diferentes das convencionais, explorando geometrias distintas. Sua
abordagem consistiu em analisar duas amostras do tipo lateral brasada,
uma em helicoide e outra em espiral, avaliando os efeitos do
comprimento e diâmetro do tubo capilar, bem como o diâmetro do
helicoide usando R134a como fluido refrigerante. De forma semelhante,
Dubba e Kummar (2017) avaliaram as mesmas configurações de TC-
43
TCLS, apresentados na Figura 15, mas com R600a, e geometria
concêntrica.
Figura 14 - Bancada experimental utilizada por Gonçalves (1994),
Mendonça (1996) e Zangari (1998)
Fonte: Zangari (1998)
44
Figura 15 - Trocadores usados por Dubba e Kummar
Fonte: Dubba e Kummar (2017)
Os trabalhos apresentados possuem grande semelhança com o
trabalho proposto. No entanto o principal ponto que os difere é a faixa
adotada para os diâmetros de capilares, que no caso de Dubba e
Kummar (2017) foge à usada na indústria de refrigeradores domésticos
atual. No caso de um experimento desse porte, carregando demasiadas
variáveis operacionais e geométricas, conforme comentado já
anteriormente, não é possível apenas extrapolar os resultados, sem
contar a necessidade de pontos experimentais que validem a diferença
entre lateral brasado, concêntrico e fita Al.
Embora a literatura possua vasta abrangência no estudo em tubos
capilares e consequentemente TC-TCLS, foram evidenciadas bastantes
restrições em vários modelos apresentados na revisão bibliográfica.
Além disso, são escassos os dados que comparam as configurações sob
o viés da fabricação, ademais sobre os custos envolvidos. As
configurações do tipo lateral brasado e concêntrico foram bastante
estudadas, mas nunca postas de forma comparativa na mesma bancada
experimental, com uma configuração com fita Al, que promete ser
promissora quanto aos custos para a indústria. Todavia, não se sabe ao
certo o quão distantes se situam as configurações fita Al, brasada e
concêntrica sob a métrica da efetividade térmica, se justificando o
estudo em questão, que visa trazer respostas concretas às duvidas
restantes sobre o trade-off da redução de custos e promoção da
eficiência dos produtos.
45
3 METODOLOGIA
A maioria absoluta dos trabalhos desenvolvidos contempla as
configurações de trocador de calor TCLS do tipo concêntrico e lateral
brasado, sendo que já fora comprovada no capítulo anterior a lacuna
existente nos dados de trocadores de calor com fita Al. Dessa forma, foi
necessário criar e empregar uma metodologia suficientemente capaz de
comparar os trocadores considerando a mesma base.
Inicialmente as primeira proposta para se comparar os trocadores
foi manter as variáveis geométricas constantes, diâmetro do capilar,
diâmetro da linha de sucção, comprimento do capilar, comprimento de
troca e de entrada e variar apenas a forma do contato, mapeando-as
através do uso de uma matriz experimental, que se aproximasse das
condições reais de operação, sem desviar das normas pertinentes. Mais
além, uma outra proposta fora concebida, que seria a manutenção de
todas as variáveis, alterando apenas o comprimento de troca. No
entanto, essa segunda proposta tornou-se dificultosa pelo número de
amostras que teriam que ser desenvolvidas, e com a finalidade de
diminuir as amostras necessárias, foi necessário focar as atenções na
primeira proposta.
Para que esses requisitos de manutenção das variáveis pudessem
ser cumpridos, várias precauções tiveram que ser tomadas. A primeira
delas foi o tomar o devido cuidado para pegar o tubo capilar da mesma
bobina, garantindo assim que o mesmo processo de fabricação fosse
empregado para todas as amostras, com o intuito de não haver variações
de rugosidade, que mais tarde poderiam estar afetando nos resultados
esperados de vazão mássica para a bancada.
Apesar da informação do diâmetro dos capilares estar em mãos,
já se possui ciência de que esse parâmetro é que possui maior influência
na vazão do sistema, que é fixada pelo par tubo capilar-compressor.
Nesse contexto foram usados dois métodos diferentes para a medição do
diâmetro dos capilares. O primeiro método consistiu em fazer uso da
equação de Kipp e Schmidt (1961), que consiste basicamente em
determinar o diâmetro de um tubo capilar (ou penas um tubo de pequeno
diâmetro) de acordo com a vazão obtida para uma pressão de entrada
estabelecida, e o segundo foi feito através de análise e processamento de
imagens provenientes de um microscópio, tendo como base a medição
do diâmetro externo dos capilares. Detalhes dessa medição podem ser
encontrados no apêndice A.
O objetivo principal é a obtenção de uma curva de efetividade vs
comprimento para cada amostra apontando o incremento no
46
comprimento necessário para suprir o déficit na efetividade do trocador
quando comparado a seu concorrente.
Para que seja viabilizada a obtenção dos resultados os quais se
deseja alcançar, é necessário o desenvolvimento de diversas etapas, que
forma cumpridas ao longo do tempo de duração do projeto, conforme
segue:
1. Projeto e construção de uma bancada experimental capaz de
controlar as condições de operação nas entradas do trocador de
calor TCLS, tais como pressão e temperatura. Além disso, o
aparato precisa cumprir uma série de requisitos para que os
pontos experimentais sejam validos e fidedignos à posteriores
análises, tais como a não presença de bolhas na entrada do tubo
capilar, a condição de atendimento de regime permanente, entre
outros requisitos predispostos em trabalhos anteriores. Grande
parte do tempo hábil e esforço foram dedicados na construção da
bancada experimental, que foi o ponto chave do trabalho em
questão.
2. Avaliação experimental da efetividade térmica de cada trocador,
sujeito as condições dispostas na matriz experimental que será
descrito com mais detalhes no decorrer do texto.
3. Tratamento dos dados obtidos experimentalmente nos ensaios,
para obtenção de parâmetros comparativos, capazes de
representar, de forma sucinta, o trocador de calor mais eficiente
do ponto de vista do desempenho térmico e do custo de
fabricação.
4. Reporte das informações pertinentes aos resultados, em forma
gráfica ou textual, para compreensão do fenômeno, e comparação
direta dos trocadores.
Ainda se faz necessária a observação da taxa da transferência de
calor, visto que a mesma altera a vazão mássica do sistema, outrora
fixada apenas pelo tubo capilar e compressor. Essa alteração na vazão
terá efeitos na efetividade que devem ser considerados. Em outras
palavras um TC-TCLS pode apresentar uma maior troca de calor,
mesmo tendo uma efetividade menor. Dessa forma, essa variável também precisa ser analisada em conjunto com as demais.
A matriz de testes utilizada nesse trabalho foi proveniente de um
projeto fatorial, desenvolvido para um trabalho de mestrado na mesma
47
bancada. Na Tabela 1 é possível observar as condições que serão
variadas ao longo da realização dos ensaios para cada amostra testada.
Tabela 1 - Matriz de testes experimentais
Nº teste [-] [ºC] [ºC] [ºC] [ºC]
1 50 -10 10 10
2 50 -10 5 10
3 50 -25 10 10
4 50 -25 5 10
5 50 -25 5 5
6 42,5 -17,5 7,5 7,5
7 35 -25 10 10
8 35 -25 5 5
9 35 -25 5 10
10 35 -10 10 10
11 35 -10 5 10
Fonte: Próprio autor
A matriz experimental levou em consideração vários critérios
relevantes para que pudessem ser varridos os efeitos desejados. As
condições das temperaturas de condensação e evaporação foram
escolhidas com base nas condições de operação de refrigeradores com
ciclo de compressão mecânica de vapores. O subresfriamento foi
avaliado em dois níveis para cada condição de pressão, sendo essa uma
variável importante no escoamento do tubo capilar. Todavia, apenas
para poucas condições o superaquecimento foi variado em dois níveis,
sendo que fora constatada a fraca influência do superaquecimento na
vazão ou efetividade do trocador.
48
49
4 CARACTERIZAÇAO TEÓRICA
É comum na engenharia existirem situações onde seja necessário
realizar troca de calor entre dois fluidos a temperaturas diferentes, seja
para reter ou dissipar calor, através de uma parede sólida. Segundo
Incropera (2008), o trocador de calor pode ser denominado como o
elemento fundamental para realizar a referida troca de calor, sendo que
suas aplicações específicas podem ser encontradas e áreas distintas,
como condicionamento de ar, produção de potência, recuperação de
calor, entre outros.
Geralmente os trocadores de calor são classificados de acordo
com sua construção e configuração do escoamento. A exemplo podemos
ter trocadores do tipo paralelo ou concêntrico, que podem abordar
escoamentos paralelos ou contracorrente, bem como os trocadores
abordados no objeto do presente trabalho.
É importante conhecer a equação governante para trocadores de
calor, onde é o calor trocado, representa o coeficiente global de
transferência de calor e a diferença de temperaturas.
(4.1)
Com respeito aos trocadores de calor com escoamento paralelo, é
possível afirmar que os mesmos começam com uma diferença de
temperaturas grande, que vai diminuindo ao longo do comprimento . A
figura 16 representa esse tipo de trocador, com os perfis de temperatura
em função do comprimento do trocador.
Figura 16 - Trocador de calor com escoamento paralelo
Fonte: Incropera, 2008
50
De forma contrária ao trocador de calor com escoamento
paralelo, segundo Incropera (2008) essa configuração proporciona a
transferência de calor entre as parcelas mais quentes dos dois fluidos em
uma extremidade bem como nas parcelas mais frias na outra
extremidade. No caso desse tipo de trocador, a saída do fluido frio pode
ser mais quente que a saída do fluido quente, diferente do trocador com
escoamento paralelo. A figura abaixo demonstra o perfil de temperaturas
para um trocador de calor contracorrente padrão.
Figura 17 - Trocador de calor com escoamento contracorrente
Fonte: Incropera, 2008
Existe uma gama enorme de trocadores de calor, sendo então
necessária uma métrica para qualificar os mesmos. Alguns trocadores
são selecionados por motivos construtivos, ou por disponibilidade de
fluidos para escoamento paralelo ou contracorrente. No entanto o
parâmetro já comentado no texto que qualifica os trocadores é
denominado como efetividade. A efetividade ( ) do trocador nada mais
é que uma razão entre a taxa de transferência de calor efetivamente
trocada e a máxima taxa de transferência de calor possível (teórica), e
pode ser expressa por:
(4.2)
51
A partir da equação 4.2 é possível encontrar a efetividade para o
TC-TCLS, tendo em mente as variáveis observadas na figura 18.
Figura 18 - Representação esquemática do TC-TCLS
Fonte: Próprio autor
Conforme segue, a efetividade pode ser expressa por:
( ) ( )
( ) ( )
(4.3)
Onde ( ) representa a taxa de capacidade térmica, que
para o caso do trocador de calor é igual a ( ) . As temperaturas
usam os sub índices para linha de sucção e para o tubo capilar,
além de para entrada no trocador e para a saída. É importante
perceber que na equação 4.3, a efetividade está dependendo somente das
temperaturas, que podem ser obtidas de forma direta,
experimentalmente. Entretanto e necessário fazer a menção de que a
equação 4.3 é uma aproximação para a efetividade do trocador.
Uma outra forma para se obter o valor da efetividade de um
trocador de calor é o método NUT (Número de Unidades de
Transferência), sendo este um parâmetro adimensional, amplamente
utilizado na caracterização de trocadores de calor. O NUT pode ser
expresso como:
(4.4)
Onde é a menor taxa de capacidade térmica entre as
correntes quente e fria do trocador e UA é o coeficiente global de
transferência de calor do trocador. De acordo com Incropera (2008), a
efetividade de um trocador contracorrente pode ser expressa através da
equação 4.5.
52
[ ]
[ ] (4.5)
Na equação 4.5 representa a razão entre as taxas de
transferência máxima e mínima entre as correntes quente e fria do
trocador contracorrente, e é definida como:
(4.6)
Plotando a equação 4.5 de efetividade em função do NUT, é
possível perceber uma faixa onde a efetividade do trocador estará
contida. Essa faixa impõe limites que serão necessariamente obedecidos
para qualquer trocador de calor contracorrente. A figura representa essa
região.
Figura 19 - Região de efetividade para um trocador de calor
contracorrente
Fonte: Adaptado de Tabares, 2018
Tratando agora da transferência de calor intrínseca ao TC-TCLS ,
é necessário observar as variáveis mais importantes nesse processo.
Mendonça (1996) verificou importância no comprimento de entrada
( ), que, nos sistemas reais em geral, troca calor com o ambiente. O
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1 2 3 4 5 6
Efe
tivi
dad
ade
NTU
Cr = 1
Cr = 0
53
segmento de contato entre o tubo capilar e linha de sucção é chamado de
comprimento de troca de calor ( ). Para que não houvesse
interferência do meio, o comprimento de entrada e todo o capilar foram
mantidos isolados, através do uso de um bloco de poliestireno. A figura
20 demonstra as variáveis geométricas comentadas.
Figura 20 - Descrição do TC-TCLS: (a) Concêntrico; (b) Lateral
Fonte: Adaptado de Hermes et. al, 2008b
Outras variáveis pertinentes à troca de calor no TC-TCLS foram
apontadas em trabalhos anteriores por Bittle (1994), Mendonça (1996) e
Zangari (1998), conforme segue.
Temperatura de condensação (Pressão de condensação);
Temperatura de evaporação (Pressão de evaporação);
Grau de subresfriamento, definindo a entrada do capilar
Grau de superaquecimento, definindo a entrada da linha de
sucção
Diâmetro interno do tubo capilar
Comprimento do tubo capilar
Comprimento de entrada adiabático
Comprimento de troca de calor
Diâmetro interno da linha de sucção
Vazão mássica
No capítulo de resultados, serão apresentadas as sensibilidades
pertinentes às principais variáveis, com seu efetivo na vazão mássica e
efetividade.
54
55
5 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL
5.1 AMOSTRAS DOS TC-TCLS ABORDADAS
As três geometrias que serão estudadas nesse trabalho já foram
discutidas anteriormente e apresentadas pela Figura 8 - Seção
transversal das configurações de TC-TCLS). A primeira amostra é a
lateral brasada que já foi amplamente acordada em outros estudos.
Todas as amostras utilizaram tubos capilares feito em cobre, de modo
que fosse garantido o mesmo processo de fabricação, além do que as
linhas de sucção também foram de cobre.
O contato que determina o comprimento nessa primeira amostra é
feito por intermédio de um procedimento de brasagem, assegurando
uma parcela maior de transferência de calor por condução, quando
comparada a outras amostras. Apesar do material utilizado na brasagem
ser um bom condutor, a mesma apresenta pequenas falhas de processo,
que não estão sendo consideradas no estudo. Foi necessário bastante
cuidado com essa amostra para que o contato não fosse prejudicado na
instalação da mesma na bancada experimental.
A segunda amostra estudada foi a configuração concêntrica.
Idealmente a Figura 8 representa a seção transversa da mesma. No
entanto, essa forma não é obedecida num trocador real, tendo desvios do
tubo capilar, internamente, ao longo do comprimento de troca, isso
devido ao oneroso processo de fabricação. No entanto em estudos
anteriores, o efeito dessa variância de geometria foi desconsiderado por
não causar grande impacto na efetividade e/ou troca de calor. No caso
do capilar entrar em contato com a parede da linha de sucção, isso
provavelmente incrementaria a efetividade, mas de forma mínima.
No caso da amostra do tipo lateral fita Al, um estudo mais
aprofundado foi necessário para entender o mecanismo de troca de
calor, que envolvesse a transferência de calor pelo contato entre os tubos
e pela própria fita, sendo necessária a consideração da resistência
térmica de contato existente no contato dos tubos. Um trabalho de
mestrado, desenvolvido em paralelo por Tabares (2018) analisou esses
efeitos, constatando algumas variáveis importantes no processo de
transferência de calor nesse tipo de configuração. Tabares (2018) fez
uso da teoria de Hertz3 para avaliar a pressão necessária para geração do
contato entre os tubos, conforme demonstrado pela figura 21.
3 Heinrich Hertz, pioneiro na solução de problemas de deformação elástica entre
superfícies parabólicas em contato (UDESC, 2018)
56
Figura 21 - Contato entre o tubo capilar e alinha de sucção
a)Contato entre tubos
b)Raio de contato
Fonte: Tabares, 2018
A análise do comportamento da pressão vs indentação pode ser
verificada na figura.
Figura 22 - Pressão vs indentação
Fonte: Tabares, 2018
Abaixo, é apresentada uma tabela com os materiais, e
informações dos parâmetros geométricos pertinentes.
Foram testadas 6 amostras para o presente trabalho, sendo que as
amostras 4, 5 e 6 são correspondentes ao efeito a configuração dentro na
efetividade e troca de calor, enquanto as amostras 1, 2 e 3 servirão de
base para o avaliar o efeito do comprimento de troca ( ).
Tabela 2 - Parâmetros geométricos das configurações
# TC-TCLS Material Material Diâm. Comp. Diam.
0 0,00005 0,0001 0,00015 0,00020
5
10
15
20
d [m]
po [P
a]
57
Capilar Sucção Interno
Capilar
HEX Externo
Sucção
[mm] [mm] [mm]
1 Fita Al Cu Cu 0,761 1500 6,35
2 Fita Al Cu Cu 0,761 1100 6,35
3 Fita Al Cu Cu 0,761 1900 6,35
4 Concêntrico Cu Cu 0,764 1500 6,35
5 Brasado Cu Cu 0,742 1500 6,35
6 Fita Al Cu Cu 0,760 1500 6,35
Fonte: Próprio autor
5.2 BANCADA EXPERIMENTAL
O presente trabalho experimental é embasado no
desenvolvimento de uma bancada experimental, que, fazendo uso de
sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapores, gera
condições adequadas para a realização dos testes experimentais nas
amostras de TC-TCLS. Tais condições foram aproximadas ao máximo
de condições reais de sistemas de refrigeração domésticos, para que
fosse possível a realização dos testes. Além disso, a bancada tem por
objetivo controlar as variáveis operacionais de acordo com a matriz de
testes, como , , pressão de condensação e evaporação, entre
outros.
O aparato torna viável a realização de testes de amostras de TC-
TCLS de diferentes comprimentos de entrada e troca, além dos
diâmetros de sucção e tubo capilar. Na figura 23 é apresentada uma
visão geral da bancada experimental, evidenciando o painel de controle,
a interface e o isolamento, que fica no entorno da amostra a ser testada.
A figura 24 apresenta o circuito de refrigeração da bancada, de forma
apresentável para que seja facilitada a compreensão do sistema como um
todo.
Basicamente, a função principal do aparato é controlar as
condições de entrada do trocador, e medir as condições de saída. Dessa
forma, para a entrada do tubo capilar, é necessário que o estado
termodinâmico esteja completamente definido e dentro das condições
especificadas pela matriz experimental. O mesmo é realizado para a entrada da linha de sucção, onde temos o refrigerante no estado de
vapor. Tais condições são garantidas com o auxílio de controles das
pressões de condensação e evaporação, bem com os graus de
subresfriamento e superaquecimento.
58
Começando com a descrição da bancada e seus componentes principais,
o fluido é bombeado pelo par de compressores (C) Embraco, com
capacidade variável (VCC). Foram usados dois compressores para que
se pudesse atingir os níveis desejados de pressão de evaporação, já que a
restrição é fixa e imposta pelo tubo capilar contido na amostra, o qual
não permite modificações.
Figura 23 - Bancada experimental TC-TCLS
Fonte: Próprio autor
Logo após os compressores temos os separadores de óleo (SO),
um para cada compressor, e 3 filtros coalescentes em série que não
aprecem na figura. Ambos os componentes têm a função de evitar a
circulação de óleo através do sistema, sobretudo na amostra de TC-
TCLS a ser ensaiada. Após os filtros o fluido segue em direção ao
condensador, onde rejeitará calor ao ambiente, através do ar proveniente
de um ventilador, acoplado a uma serpentina. O controle será explicado
mais adiante, mas vale adiantar que o par ventilador-resistência
condiciona o ar de que entra em contato com a serpentina, sendo
possível o controle das condições da temperatura do ar para onde será
rejeitado o calor proveniente do processo de condensação.
59
Figura 24 - Representação da bancada experimental
Fonte: Tabares, 2018
O controle de subresfriamento é possível com o próximo
componente, que se trata de um pós-resfriador (PR). Esse componente
faz uso de um fluido secundário, no caso água, para diminuir a
temperatura do líquido proveniente do condensador, e garantir que o
estado do fluido na entrada do capilar seja exclusivamente líquido. Após
o pós-resfriador, está disposto o medidor de vazão mássica (MVM) do
tipo coriolis. Esse medidor tem suma importância foi devidamente
calibrado para que pudesse fornecer valores devidamente confiáveis.
Ainda para o ajuste fino da temperatura de entrada do tubo capilar é
usado um pré-aquecedor (PA), que se trata de uma resistência enrolada
ao redor do tubo de cobre, antes de entrada do tubo capilar.
Ainda a montante do tubo capilar temos o visor de líquido (VL)
que tem sua função descrita pelo nome. Este serve apenas como um
dispositivo de verificação, que foi usado nas etapas de validação do
aparato, para garantir a ausência de bolhas na entrada do tubo capilar.
Após o visor o fluido entra no tubo capilar (seção de teste) e é
expandido até a pressão de evaporação ( ), passando pelo tubo capilar.
Ao sair da seção de testes o fluido e encaminhado ao evaporador, onde
ocorrerá a mudança de estado, e subsequentemente, será feito o controle
do superaquecimento, garantindo a temperatura de entrada na linha de
sucção. O evaporador usado nessa bancada tem uma especificidade por
60
não necessitar de remoção de condensado, já que o mesmo fica
enclausurado dentro de uma caixa de madeira, recebendo uma taxa de
transferência de calor apenas da resistência, sendo essa uma estratégia
de controle.
Figura 25 - Evaporador seco
a)Evaporador aberto b)Evaporador Fechado
Fonte: Tabares, 2018
Na saída do evaporador o fluido tem dois caminhos possíveis que
podem ser controlados por registros. O caminho inferior na figura é para
o caso da ocorrência de testes adiabáticos, sendo apenas uma
versatilidade da bancada. No entanto, todos os testes abordados foram
realizados com o fluido se encaminhado para a seção de testes, trocando
calor com o fluido proveniente do tubo capilar em escoamento
contracorrente. Após a saída da linha de sucção, e agora com um
incremento no superaquecimento devida a absorção de calor ao longo do
TC-TCLS, o fluido se encaminha para a sucção do compressor, onde o
ciclo tem seu reinício.
5.3 INTRUMENTAÇÃO
A instrumentação da bancada possui basicamente 3 módulos
principais:
61
Sistema de medição: compreendido pelos termopares,
transdutores de pressão e medidor de vazão mássica,
juntamente com o sistema de aquisição;
Sistema de controle e acionamento: compreende o quadro
elétrico, bem como os circuitos de comando e potência, os
componentes do quadro elétrico como fontes de tensão, relés e
contatores e o por fim os atuadores, que são o ventilador, as
resistências e o próprio compressor variável;
Sistema de monitoramento e supervisão: aqui está localizado o
programa de interface com o usuário, que fora desenvolvido
pelo próprio autor.
O sistema de medição é apenas uma forma de condensar as
informações de todas as medições que são realizadas na bancada. Ao
varrer novamente a Figura 24, e possível descrever de forma detalhada
as medições envolvidas.
Começando pelos compressores novamente, a primeira medição
disposta na bancada é uma medição de pressão, realizada através de um
transdutor, antes do fluido passar pelo condensador e pós resfriador.
Essa medição não tem importância nas análises e serve apenas como
parâmetro operacional para o operador da bancada, que deve monitorá-
la com o intuito de perceber a perda de carga envolvida desde a saída do
compressor até a entrada do tubo capilar. Além disso essa medição
auxilia no processo de testes de vazamento, que deve ser realizado
sempre que feita uma troca de amostras.
Logo após o condensador é possível encontrar o transdutor de
vazão mássica. Esse dispositivo faz uso do efeito coriolis para
transformar a grandeza mecânica (vazão) em uma grandeza elétrica,
para que esta possa ser enviada ao sistema de aquisição, e então
registrada nas devidas unidades. Como unidade de vazão foi utilizado
[kg/h]. Esse medidor permite aferir vazões de fluidos no estado líquido e
gasoso, mas não bifásico, dessa forma, a disposição do mesmo na
bancada foi para garantir que não houvessem problemas de misturas
bifásicas passando pelo transdutor de vazão. Além disso, o fabricante
traz dados pertinentes a exatidão do mesmo, comprovando o fato de que
essa grandeza apresenta valores mais confiáveis quando na medição de
líquido.
Mais adiante é possível ver o início da seção de testes. Tanto as
entradas, quanto as saídas da seção, que são as medições mais
importantes desse trabalho, receberam tratamento especial, sobretudo
com cuidados específicos com isolamento e outros fatores pertinentes na
62
contribuição para a medição mais exata da grandeza abordada. A figura
26, logo abaixo, mostra uma representação simples do tipo de conexão
utilizada, atentando para o fato de que o termopar utilizado foi do tipo
sonda, além de ser posto em contracorrente com escoamento, conforme
instruções do corpo técnico e trabalhos anteriores. Apesar de a figura
não apresentar essa informação, foi utilizado um termopar de superfície
em cima da conexão, onde era possível monitorar as temperaturas de
entrada e saída do trocador de forma simultânea com os termopares do
tipo sonda. Essa alternativa servira de base de comparação para a
percepção de possíveis erros. No entanto, as temperaturas registradas
foram do termopar tipo sonda.
Figura 26 - Representação das conexões de entrada e saída usadas na
seção de testes
Fonte: Tabares, 2018
Além de serem o objetivo principal desse trabalho, as medições
de temperatura e pressão na seção de testes impunham os inputs para os
controles da bancada. As pressões foram controladas sempre de acordo
com a leitura dessas variáveis e entrada, bem como as temperaturas nas
entradas do trocador. Dessa forma, 4 medições de pressão e temperatura
foram feitas ao longo dos ensaios, utilizando transdutores de pressão e
termopares conforme ilustração da figura 26.
O apêndice A traz especificações de todos os equipamentos
utilizados, enquanto no apêndice B é possível verificar informações
técnicas pertinentes aos sistemas de medição e controle descritos.
5.4 METODOLOGIA DE CONTROLE
Os parâmetros que necessitam atenção especial quanto ao
controle são as condições de entrada do trocador de calor. Assim sendo,
63
o controle deve prover condições satisfatórias para a matriz de testes, e
que ainda atendam um determinado desvio padrão. O regime
permanente foi estabelecido para a vazão quando o desvio padrão dessa
variável atingia valores abaixo de 0,02 . A vazão foi o parâmetro
mais forte analisado para o regime permanente, mas nenhum teste foi
gravado sem que as demais variáveis estivessem controladas também.
Figura 27 - Representação sistemática dos controles da bancada
Fonte: Próprio autor
Para o controle da entrada do tubo capilar no dispositivo de
expansão, é necessário que se tenha a temperatura de condensação e o
suresfriamento devidamente ajustados. O controle da foi feito através
do controle da pressão de condensação , que fez uso do ventilar e a da
resistência acoplada ao mesmo. Em geral, em sistemas de refrigeração
reais, temperatura de condensação é ajustada sempre com uma diferença
fixa entre a ambiente. No caso da bancada, a temperatura ambiente é
controlada, sendo essa o atuador que controla a pressão de alta no
evaporador. O controle de pressão de alta apresentou grande capacidade,
conseguindo alterar a pressão em até 2,5 bar acima da pressão atingida
pelo compressor sem o uso do aparato de controle.
Além da , foi necessário controlar o grau de resfriamento
( ). O controle dessa variável foi feito por intermédio de dois
atuadores acoplados. Um deles é um trocador de calor contracorrente,
que faz uso de água como fluido secundário, sendo que a temperatura da
64
água pôde ser controlada através de um banho termostático. Com a
temperatura da água controlada e uma vazão suficientemente grande, foi
possível garantir que o fluido atingisse um determinado patamar de
subresfriamento, de acordo com a temperatura escolhida no banho. Para
refinar o controle e deixar a temperatura do líquido na entrada do capilar
com o grau de desejado, foi utilizada uma resistência enrolada
através do tubo, acionada por um relé de ângulo de fase. Um controle
PID foi imposto sobre o relé da mesma, garantindo assim a manutenção
da temperatura em regime permanente.
O controle das condições de entrada da linha sucção no trocador
fizeram uso de controles PID, com o auxílio de relés, de forma similar
ao controla da pressão de condensação. Primeiramente o controle da
pressão de evaporação ( ) foi relativamente simples. Sendo que o
compressor possui comunicação com o sistema de aquisição através de
uma porta de comunicação serial, um controle PID foi imposto no
mesmo, sendo que a variável de controle e o atuador a rotação do
compressor. A etapa de validação desse controle foi vagarosa, mas
eficaz, sendo que como parte da estratégia de controle, um dos
compressores foi mantido em rotação constante, que era ajustada apenas
no início do teste e o outro compressor podia varia dentro de seus
limites, de 1600 a 4500 rpm. O controle do , ou ainda, da
temperatura de entrada da linha de sucção, foi realizado por intermédio
de dois atuadores. Um deles foi uma resistência fixa, dentro do
evaporador seco demonstrado na Figura 25 , à qual recebia uma carga
correspondente ao necessário para o fluido chegar ao estado de vapor
saturado. Após alguns testes esse valor da potência dissipada para o
evaporador era setado de acordo com o patamar de vazão do teste em
questão, dado que possuía dependência direta com a vazão. Para que
fosse possível obter o grau de desejado, fez-se uso de uma
resistência enrolada ao redor do tubo, de forma similar a utilizada para o
controle do , de modo a prover um ajuste fino no controle da
temperatura de sucção.
Todos os parâmetros do controle foram configurados através do
programa desenvolvido pelo próprio autor, sob a plataforma do
LabView®. A figura abaixo mostra a interface inicial do programa de
monitoramento e controle.
65
Figura 28 - Programa de monitoramento e controle da bancada
experimental
Fonte: Próprio autor
5.5 SEÇÃO DE TESTES
A seção de testes é o ponto chave do trabalho experimental
abordado, onde foram tomados diversos cuidados operacionais para a
garantia e veracidade dos dados lidos pela bancada.
Figura 29 - Representação da seção de testes
Fonte: Tabares, 2018
A construção da seção foi feita de tal forma que se garantisse a
retitude do capilar, conforme demonstrado na Figura 29, sendo essa uma
premissa necessária para a realização dos testes. Além disso os
comprimentos de troca ( ) e de entrada ( ) podem ser variados,
sendo que o comprimento máximo permitido entre a tomada e entrada e
saída do capilar é de 3 metros. A figura 28 é uma representação de uma
66
vista superior da bancada, sendo que o fluxo no tubo capilar se dá da
direita para a esquerda. As conexões foram feitas de modo a facilitar a
substituição de amostras, prevendo inclusive trabalhos futuros.
Zangari (1998) e Mendonça (1996) deixaram claro em seus
trabalhos a importância das medições da temperatura de entrada e saída
da linha de sucção. Tal preocupação se justificara pelo fato da
ocorrência de transferência de calor indesejada, entre o termopar sonda e
a conexão roscada. Segundo os autores, essa transferência poderia
invalidar os resultados, por conta das medições errôneas. De modo a
suprir essa falha, foram aplicadas adaptações das conexões
desenvolvidas nos referidos trabalhos, que isolam o termopar sonda da
conexão, prevenindo qualquer transferência de calor por condução.
O procedimento de substituição consiste em algumas etapas
operacionais básicas que devem ser obedecidas. Em primeiro lugar
deve-se fechar as válvulas que isolam a amostra, juntamente com o
evaporador, de todo o restante da bancada. Após o fechamento das
válvulas é necessário expurgar o fluido refrigerante, e então é possível a
retirada da amostra já testada. Deve-se agora conectar a próxima
amostra, que já deve estar com as conexões preparadas, tanto no capilar
quanto na linha de sucção, de modo que a mesma se encaixe na bancada,
além disso, deve-se assegurar que a amostra esteja limpa internamente,
sendo que o processo recomendado é uma limpeza com nitrogênio e
141b. Após a conexão da amostra na bancada, bem como o aperto das
conexões pertinentes, é necessário que se carregue a bancada com
nitrogênio, até no máximo 10bar, prevenindo danos aos transdutores de
pressão. Após a carga de nitrogênio é possível isolar o tubo capilar da
linha de sucção através do fechamento de válvulas. Com as válvulas
fechadas, é necessário realizar o monitoramento das pressões e
temperaturas através da interface no LabView®. Recomenda-se o
monitoramento durante 24 horas, para garantia da ausência de
vazamentos, haja vista que a infiltração de não condensáveis condena o
teste, invalidando-o. Após confirmação obtida com o teste de
vazamento, é necessário realizar o procedimento de vácuo, sendo que,
caso tenha sido removido apenas o fluido do evaporador e do TC-TCLS,
conforme recomendado, o tempo de vácuo pode ser reduzido, mas
mantendo como critério de parada a pressão obtida no vacuômetro. Caso
a bancada tenha sido inteiramente evacuada, como precaução de
infiltração nos demais componentes, o vácuo tende a ser mais vagaroso,
necessitando mais tempo para remover o fluido contido na bancada.
Quanto ao isolamento na seção de testes, o isolante utilizado foi
poliestireno expandido (EPS) de alta densidade, com duas placas
67
sobrepostas, contendo o trocador no centro das mesmas, conforme
indicado na Figura 30. Uma manda térmica de espuma elastomérica foi
usada de forma auxiliar para evitar bolsões de ar que pudessem
eventualmente ser formados entre a placa de poliestireno e o trocador, já
que ambos são rígidos. Além da manta permitir um melhor encaixe do
trocador dentro do isolamento, a mesma tem a função de tornar a
bancada mais versátil, dinamizando o processo de substituição de
amostra.
Figura 30 - Seção transversal do isolamento da seção de testes
Fonte: Tabares, 2018
68
69
6 RESULTADOS
Um conjunto de testes experimentais foi gerado na bancada para
que fosse possível realizar análises pertinentes as amostras testadas. As
métricas analisadas para qualificar os trocadores de calor TCLS foram
basicamente a efetividade ( ) e a taxa de transferência de calor ( ),
calculada através do balanço de energia na linha de sucção, que não
possui troca de fase. A equação demonstra o cálculo do calor trocado. A
intenção é manter as demais variáveis constantes para averiguar apenas
efeitos isolados de contato entre o tubo capilar e alinha de sucção e de
comprimento de troca ( ).
(6.1)
Os resultados comparativos entre as configurações podem ser
visualizados através do gráfico da figura 31, onde claramente é possível
observar a predominância da configuração brasada, seguida da
concêntrica e então lateral com fita. Conforme já comentado, as
configurações dispostas no gráfico diferem única e exclusivamente na
forma do contato, possuindo as demais geometrias idênticas, bem como
as demais variáveis operacionais.
Diferente do esperado, as configurações com fita apresentaram
menor efetividade. Isso pode ter ocorrido pelo fato de que o contato não
fora devidamente garantido, já no processo de fabricação, pois conforme
a Figura 22 é necessária uma determinada pressão para se conseguir
uma endentação satisfatória no que diz respeito a condução de calor por
condução.
Após as análises é possível afirmar então que a configuração
brasada, mesmo possuindo algumas falhas de fabricação, como
pequenos vazios no material de adição usado no processo de brasagem,
ainda supera a configuração com fita. Isso se justifica pelo contato ter
maior garantia na brasagem do que na fita.
A tabela 3 apresenta os resultados médios obtidos para cada
configuração. Conforme menção anterior, os valores a serem observados
são a taxa de transferência de calor e a efetividade calculadas para cada
amostra. A configuração 6 está destacada pelo fato de que foi usada
como base de comparação, tanto para o efeito do comprimento, quanto o
efeito do contato.
70
Figura 31 - Taxa de transferência de calor e efetividade médias para
diferentes configurações de TC-TCLS
Fonte: Próprio autor
Tabela 3 - Resultados médios para as configurações testadas
# TC-TCLS
[mm] [mm] [mm] [W] [-]
1 Fita Al (Cu-Cu) 400 1500 0,761 49,86 0,808
2 Fita Al (Cu-Cu) 400 1100 0,761 41,16 0,692
3 Fita Al (Cu-Cu) 400 1900 0,761 50,23 0,945
4 Concêntrico(Cu-Cu) 500 1500 0,764 50,54 0,811
5 Brasado (Cu-Cu) 500 1500 0,742 56,05 0,872
6 Fita Al (Cu-Cu) 500 1500 0,760 42,47 0,775
Fonte: Próprio autor
Assim como em estudos anteriores, pode ser constatado que o
comprimento é pouco influente sobre a vazão mássica. Entretanto, a
Figura 32 mostra as grandezas e em função do comprimento de troca para a configuração do tipo Fita Al. Através da análise gráfica é possível
perceber, que diferentemente do comportamento obtido para a variação
do contato, aqui a taxa de transferência de calor se manteve
praticamente
constante, enquanto a efetividade foi claramente correlacionada com o
0,6
0,7
0,8
0,9
0
10
20
30
40
50
60
Lateral brasado Concêntrico Fita Al
Efe
tivi
dad
e [-
]
Tax
a d
e tr
ansf
erên
cia
de
calo
r [W
]
Média da taxa detransferência de calor
Média da efetividade
71
Figura 32 - Taxa de transferência de calor e efetividade em função do
comprimento de troca para configuração com Fita Al
Fonte: Próprio autor
incremento no comprimento. Também diferente do gráfico para a
variação das configurações, este foi feito para uma condição em
específico da matriz, que foi repetida em cada uma das amostras. Dessa
forma, é possível analisar o efeito de forma isolada, mantendo-se as
todas as variáveis constantes, menos o comprimento de troca.
Outra análise importante da variação do comprimento é que um
aumento em 0,4m promove, em média, um incremento de 10% na
efetividade, dessa forma, os déficits pertinentes à fita podem ser
compensados com o comprimento, de tal forma a alcançar a efetividade
das amostras concorrentes, embora implicações do processo de
fabricação da configuração com Fita Al também possam melhorar seu
desempenho. Tendo em mãos os custos de fabricação é possível realizar uma
análise, para ver se é rentável substituir as configurações mais usadas
atualmente, lateral brasada e concêntrica, pela fita que é mais barata.
Apenas como uma estimativa grosseira, os custos são crescentes com a
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0
5
10
15
20
25
30
35
1100 1500 1900
Efe
tivi
dad
e [-
]
Tax
a d
e tr
ansf
erên
cia
de
calo
r [W
]
Comprimento de troca [mm]
Taxa de transferência de calor
Efetividade
72
efetividade dos trocadores, quando comparadas apenas as distinções
referentes ao contato. Assim sendo, seria possível analisar se o aumento
do comprimento da configuração fita Al justificaria sua adesão, quando
comparado a uma amostra brasada ou concêntrica com menor.
Diferentemente da abordagem de custos mencionada no início do
trabalho, onde os custos de fabricação seriam tratados como custos
diretos, dada a informação que os TC-TCLS empregados nos
refrigeradores eram todos comprados de terceiros. No entanto, uma
informação recente mudou essa abordagem, pois além de não se ter
acesso as informações de custo de uma forma quantitativa, teve-se posse
do conhecimento de que os trocadores de calor do tipo lateral brasado e
concêntrico são fabricados na própria empresa, enquanto o lateral com
fita Al é comprado de terceiros. Essa informação é completamente
relevante para o estudo, visto que para determinar o custo de cada
amostra seria necessário realizar uma análise de custeio dentro do
processo produtivo, visando alcançar um valor que representasse o
custo, para então sim comparar as amostras sob a mesma base de valor.
Todavia, os resultados das análises para as diferentes
configurações, bem como o efeito de um aumento do comprimento de
troca na configuração lateral com fita Al pode ser dito como satisfatório,
sendo que mesmo através de uma abordagem de caráter qualitativo, foi
possível qualificar as amostras sob a métrica conjunta da efetividade
térmica e a troca de calor.
73
7 CONCLUSÕES
O presente trabalho teve como proposta central a solução do
problema de tomada de decisão entre diferentes configurações de
trocadores de calor tubo capilar-linha de sucção sob os vieses de
desempenho térmico e custo unitário.
Foi evidenciada a relevância do estudo nesse dispositivo,
sobretudo no potencial de promoção de eficiência aos refrigeradores
domésticos, classe de alta participação no perfil de consumo brasileiro
de energia elétrica atual.
Estabelecida a importância do estudo dentro do ramo de pesquisa
em tecnologias para a promoção de eficiência dos produtos, sobretudo
os eletrodomésticos, foi realizada uma ampla revisão bibliográfica,
contemplando estudos marcantes na história da refrigeração, e mais a
fundo, nas contribuições efetivas na área de dispositivos de expansão.
Ainda na introdução foram apresentadas as diferentes
configurações de trocadores de calor. As configurações estudadas foram
de trocadores do tipo lateral brasado, concêntrico e lateral com Fita Al.
Conforme descrito na revisão, vários estudos contemplaram as
configurações brasada e concêntrica, mas não juntamente com a fita Al.
Dessa forma é que se inseriu a lacuna á qual o presente estudo se propôs
a preencher. Dada a importância do estudo dessa nova configuração,
foram estabelecidas configurações específicas para serem testadas, ás
quais pudessem abordar o efeito do comprimento de troca e o efeito do
tipo de união entre o tubo capilar e a linha de sucção.
A metodologia proposta para a realização do presente estudo
pode ser representada basicamente pela construção do aparato
experimental, que levou cerca de 1 ano para ficar pronto. Várias etapas
precisaram ser vencidas, tais como a concepção da estrutura, dos
sistemas de medição e especialmente do quadro elétrico e do programa
de monitoramento e controle.
Logo após foi definida então a matriz de testes experimentais,
baseada em condições especificadas por norma e condições comuns de
uso em sistemas reais de refrigeração por compressão mecânica de
vapores. Uma breve caraterização teórica foi realizada com o intuito de
definir as métricas necessárias para o ranqueamento dos trocadores, tais
como efetividade térmica e taxa de transferência de calor. Definidas tais
grandezas, tomou-se rumo a caracterização experimental, onde pode ser
detalhado todo o sistema, destacando pontos importantes do aparato e
reinvindicações feitas em estudos anteriores, antepondo cuidados
necessários para a realização dos testes. Estratégias de controle também
74
forma abordadas, podendo ser compreendidas através de representações
esquemáticas da bancada.
Mais adiante foram explicitados e descritos os resultados obtidos
com os experimentos. Algumas informações importantes foram
extraídas da base de dados experimentais, tais como a variação da
efetividade com o comprimento de troca em trocadores do tipo lateral
com fita Al, e também a diferença entre efetividade de trocadores
distintos.
Por fim, os resultados apontaram que o trocador brasado é
inevitavelmente o mais eficiente do ponto de vista termodinâmico,
seguido do concêntrico e do lateral com fita Al. Para que fosse possível
apontar o trocador com custo e eficiência otimizados seria necessária
uma análise robusta e mais aprofundada nos custos envolvidos no
processo de fabricação dos mesmos. No entanto, cabe aqui o comentário
de que a configuração de trocador do tipo concêntrico é bastante onerosa
para a empresa, envolvendo diversos processos de fabricação, como
perfuração e até mesmo brasagem para o selamento do trocador no
ponto de incisão do capilar dentro da linha de sucção. Além disso, a
configuração de trocador do tipo lateral brasado, apesar de ser fabricado
na empresa em questão também se apresenta bastante custosa, aliás,
qualitativamente é possível afirmar que a configuração lateral brasada é
a mais eficiente mas também a mais cara. Assim sendo, é necessário
conhecer os custos com clareza para se poder tomar uma decisão quanto
ao trade-off de se empregar um comprimento maior de trocador de calor
lateral com fita Al ou continuar com o brasado.
Uma sugestão para a tomada de decisão é que se explore o
processo de fabricação da configuração lateral com fita Al, para que seja
avaliada a possibilidade de se prover uma maior zona de contato,
mediante imposição de força por parte da fita.
Como sugestão para trabalhos futuros ficaria proposta então uma
análise numérica do trabalho em questão, direcionando-se
principalmente á amostra lateral com fita Al. No entanto essa etapa já
está sendo finalizada pelo trabalho de mestrado de Tabares (2018).
Dessa forma a sugestão que fica para os próximos trabalhos é fazer uma
análise dos custos envolvidos em cada amostra para que se possa prover
embasamento o suficiente para a tomada de decisão por parte da
empresa, quando da escolha do trocador com o melhor custo vs
benefício. Além disso sugere-se também que se testem trocadores desse
tipo, ou outras configurações inovadoras com outros fluidos além do R-
600a que foi o fluido refrigerante abordado no presente estudo.
75
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Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, 1998.
79
APÊNDICE A – LISTA DE EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
A continuação será apresentada uma tabela com os principais
equipamentos utilizados na bancada.
Tabela 4 Lista de equipamentos
Equipamento Modelo Marca
Compressor (x2) VEMY 9C Embraco
Condensador de aletas - -
Transdutor de pressão MMA250C1B2C
5T4A6- Ômega
Transdutor de pressão MMA150C1B2D
6T4A6CE Ômega
Transdutor de pressão P10AB**GDCZP
DLCZZZZ Wika
Transdutor de pressão P10ABCLGDCZ
PDLCZZZZ Wika
Transdutor de pressão P3MB20bart IHM
Fonte de alimentação NES1524 Mean Well
MW
Fonte de alimentação JL6012 Mean Well
MW
Fonte de alimentação RS15048 Mean Well
MW
Transdutor de fluxo de massa
coriolis
Conversor Mass
6000 Siemens
Conversor de sinal do fluxo de
massa Mass 6000 Siemens
Sonda termopar TMQSS020u6 Omega
Cabo de compensação Tipo T91
PRT243LEBULK Omega
Sistema de aquisição de dados SCXI 1000 National
Instruments
Modulo amplificador de
termopares de 8 canais com
conexão direta
SCXI 1112 National
Instruments
Módulo atenuador de saída SCXI 1124 National
Instruments
Bloco terminal de saída de 6
canais SCXI 1325
National
Instruments
80
Módulo amplificador entrada SCXI 1102
Bloco terminal de entrada de 32
canais SCXI 1303
National
Instruments
Relé de estado sólido (x6) AFC-01 Contemp
Resistência da entrada do tubo
capilar
4mm x 4000mm
220V x 200W HeaTemp
Separadores de óleo OUB 1 Danfoss
Filtros coalescentes 6HM06-013 Parker
Filtro coalescente 10HM06-013 Parker
Banho Ultratermostatizado MA-083 Marconi
Trocador de calor liq-liq HE 0.5-8.0
015D0004 Danfoss
81
APÊNDICE B– SISTEMA ELÉTRICO, SISTEMA DE
CONTROLE E SISTEMA DE MEDIÇÃO DA BANCADA
EXPERIMENTAL
B.1 SISTEMA ELÉTRICO
Um quadro de comando foi projetado exclusivamente para a
bancada, permitindo a ligação de cada uns dos componentes elétricos.
Os botões de comando disponibilizados no painel permitem a
ativação geral da bancada, a parada em caso de emergência e a ativação
separada de cada um dos seguintes subsistemas:
Sistema de aquisição de dados e computador;
Medidor de vazão mássica e transdutores de pressão;
Resistência de ventilação e separadores de óleo;
Resistências de evaporação, superaquecimento e sub-
resfriamento;
Compressores;
Ventilador.
A bancada é alimentada com 220V e 60Hz. Dentro do quadro de
comando existem fontes de energia de 12V, 24V e 48Vque permitem a
ligação de alguns componentes que precisam de corrente continua para
operar. Sendo este o caso dos transdutores de pressão de 12V e 24Ve o
ventilador de 48V.
São usados fusíveis tipo ampola para a proteção de cada um dos
componentes ligados a seis contatoras, e um fusível tipo diazed
retardado para a proteção do circuito de potência.
Todos os componentes da bancada foram devidamente aterrados
com a intenção de diminuir a possibilidade de ruído nas medições e
garantir segurança na hora do manuseamento dos componentes e
subsistemas.
A Figura 33 mostra o circuito de comando da bancada e a Figura
34 mostra o circuito de potência.
B.2 SISTEMA DE MEDIÇÃO E CONTROLE DA BANCADA
O sistema de aquisição de dados National Instruments SCXI foi utilizado para a obtenção de dados, assim como para o controle dos
diferentes componentes.
O módulo SCXI 1112 permite a leitura direta do sinal
proveniente dos termopares de medição que estão localizados na entrada
82
e saída da linha de sucção e capilar. A leitura é feita, tomando como
referência a junta fria interna do DAQ.
Fase 2
20V
AC
CG
NF
SE
NF
SD
G
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SLG
L1
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CG
01
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03
03
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03
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05
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06
06
06
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
13
13
14
14
14
23
23
24
24
24
33
33
34 3
4
34
43
43
44
44
44
53
53
54
54
54
SM
SR
SP
SV
NA
CG
03
35
36
37
37S
MR
CM
RL
5
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N
37
Figura 33 Diagrama de comando
83
Fa
se
22
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01
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Fonte
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Fonte
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02
02
02
02
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63
63
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73
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83
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84
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86
NN
NN
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2
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R_
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B
R_
Evap
R_
Vent
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ep
Óle
o
Figura 34 Diagrama de potência
84
O módulo SCXI 1102 quando utilizado com o módulo SCXI
1303 permite receber trinta e dois sinais de tensão ou corrente
provenientes dos diferentes medidores, tais como vazão mássica,
transdutores de pressão ou termopares. Sendo que todos os sinais estão
entre 0 e 5V no caso de tensão, ou entre 4 e 20mA para o caso de
corrente.
O módulo 1325, é um módulo de saída que quando acoplado ao
módulo 1124 permite enviar sinais de corrente aos relês de ângulo de
fase que operam entre 4 e 20mA e que são utilizados para o
acionamento das diferentes resistências.
O sistema de aquisição através do seu software, permite a
programação dos controladores PID quem enviam o sinal de corrente
aos relês de ângulo de fase.
Para o caso específico do ventilador, o módulo de saída do
sistema de aquisição também permite o envio de sinais de tensão entre 0
e 5V.
A pressão de alta possui muitos atuadores atrelados ao seu
controle, sendo estas: velocidade de rotação do ventilador, resistência de
aquecimento na entrada de ar do condensador e uma válvula
micrométrica na saída do pós-evaporador. Levando em consideração o
fato que a pressão de condensação tem influência na pressão pela troca
de calor no pôs-resfriador (temperatura do banho) e pela resistência de
controle de sub-resfriamento.
O controle da pressão de evaporação é feito pela rotação dos
compressores VCC, assim como pela manipulação de uma válvula na
entrada dos mesmos, que modula a capacidade do compressor em casos
onde a rotação dos compressores atingiu o mínimo possível, e a pressão
de baixa precisa aumentar.
A velocidade dos compressores é controlada por um PID
programado desde o Software, que envia o sinal ao variador de
frequência através de uma porta serial.
Uma vez que o fluido deixa o evaporador, uma resistência
acionada por um controlador PID fornece calor ao fluido, controlando a
temperatura da saída do evaporador e consequentemente, a temperatura
de entrada da linha de sucção na seção de testes (Superaquecimento).
Desta forma, todas as resistências utilizadas na bancada, são
acionadas mediante o PID. Sendo este o caso do aquecimento dos
separadores de óleo, do ar na entrada do ventilador, do ajuste fino do
sub-resfriamento e superaquecimento, e do evaporador.
85
APÊNDICE C – CARACTERIZAÇÃO GEOMÉTRICA DOS
TUBOS CAPILARES
C.1 INTRODUÇÃO
Devido a importância que o diâmetro interno do tubo capilar
apresenta sobre a vazão mássica, é necessário o cálculo do mesmo.
Para esta medição, encontrou-se três formas diferentes para
proceder. A primeira, uma avalição feita por meio de um teste com
vazão de nitrogênio, a segunda utiliza a ajuda de um microscópio que
permite a verificação da medida interna do diâmetro do capilar, a partir
da medição externa do diâmetro. Um outro procedimento utilizado para
a medição do capilar, foi a tomografia, que consegue a menor incerteza
de medição, mas sendo o procedimento caro, foi descartado. Ainda
assim, fazendo o comparativo de uma amostra, foi visto que o método
do microscópio, consegue ter resultados próximos aos obtidos por
tomografia, com o benefício de baixo custo.
Figura 35 Tomografia do capilar 1
C.2 TESTE DE VAZÃO DE NITROGÊNIO
O teste consiste em passar nitrogênio através do tubo capilar com
comprimento, L, e medir a vazão mássica, , que passa por ele,
precisando que a pressão de entrada do fluido esteja o mais próximo
possível a 7,9bar, com a intenção de obter uma boa medição.
86
Com ajuda da Eq. (44) apresentada por Kipp e Schmidt (1961) é
possível obter o diâmetro interno médio do tubo capilar.
(
√ )
Uma bancada experimental localizada no polo, permite fazer esta
análise de forma rápida e direta.
C.3 METODO DO MICROSCOPIO
No laboratório POLO, foi desenvolvido um programa que
permite analisar a imagem de uma fotografia tirada por um microscópio.
O programa, utiliza a teoria de mínimos quadrados para plotar
dois círculos que definem a geometria do tubo, e a partir do diâmetro
externo, o programa consegue calcular o diâmetro interno do capilar,
utilizando a relação de pixels que existe entre eles.
A preparação da amostra para tirar a foto é a parte mais
importante deste processo de medição, já que a medição por
microscópio precisa de uma secção transversal plana, paralela à
superfície, que permita reconhecer a verdadeira grandeza do diâmetro do
tubo capilar, para isso, é necessário proceder da seguinte forma:
Cortar um pedaço não maior a 2mm do tubo capilar que
quer ser medido.
Manter o capilar perpendicular à superfície com ajuda de
um grampo.
Utilizar uma resina própria para embutimento, para
manter grampo com o capilar dentro de uma resina.
Lixar a resina procurando manter a perpendicularidade
do capilar.
Uma vez tirada a foto, é utilizado o programa para conhecer o
diâmetro do capilar.
Para maior informação, procurar o relatório “preparação de
amostras e medição do diâmetro interno de tubos capilares” feito por
Luiz Madeiros Sapaio, guardado nos documentos públicos do
laboratório POLO.
87
C.4 MEDIÇÃO DO COMPRIMENTO
Cada tubo capilar foi posicionado sobre uma superfície plana,
horizontal e nivelada. As medições foram realizadas com uma trena de 5
m da marca Starrett. Mantendo o valor do comprimento em 2,700mm
com uma variação de 10mm devidos a curvas pressentes no capilar. O
comprimento do mensurando foi considerado como invariável.
Um resumo dos diâmetros dos tubos capilares pode ser
encontrado na Tabela 5.
Tabela 5 Medições dos diâmetros capilares
N2 Microscópi
o Nomin
al Erro
N2 x Micro [mm] [mm] [mm] [%]
0,764 0,761 0,71 0,394 0,762 0,761 0,71 0,131 0,762 0,761 0,71 0,131 0,771 0,764 0,71 0,916 0,764 0,742 0,71 2,965 0,781 0,760 0,71 2,763 0,664 0,636 0,63 4,403 0,758 0,730 0,71 3,836 0,753 0,730 0,71 3,151 0,764 0,724 0,71 5,225 0,771 0,747 0,71 3,213 0,765 0,764 0,71 0,131