ANÁLISE COMPARATIVA DO DESEMPENHO DO EVAPORADOR DE UM APARELHO DE AR CONDICIONADO SPLIT COM GEOMETRIA OTIMIZADA

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1 ANÁLISE COMPARATIVA DO DESEMPENHO DO EVAPORADOR DE UM APARELHO DE AR CONDICIONADO SPLIT COM GEOMETRIA OTIMIZADA Tese inédita apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Paraná, como requisito para fins de progressão funcional para Professor Titular por avaliação (Resolução n o. 10/14-CEPE). Autor: Rudmar Serafim Matos Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica - DEMEC

2 APRESENTAÇÃO INTRODUÇÃO MATERIAIS E MÉTODOS RESULTADOS E DISCUSSÃO CONCLUSÃO

3 INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO - Otimizar geometricamente o trocador de calor de um condicionador de ar produzido em série; - Limitação do espaço disponível e/ou redução de volume dos equipamentos; - Maior eficiência energética do condicionador de ar. 3

4 INTRODUÇÃO OBJETIVO GERAL: - Analisar o desempenho do evaporador de um aparelho de ar condicionado do tipo split com geometria otimizada. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: a) Confecção dos evaporadores protótipos circular e elíptico; b) Montagem dos evaporadores no equipamento; c) Realização dos testes experimentais; d) Finalmente, definir e quantificar claramente as vantagens dos arranjos de tubos elípticos sobre os de tubos circulares convencionais, instalados em um equipamento de ar condicionado do tipo split comercial, viabilizando do ponto de vista de engenharia a possibilidade de fabricação em massa de equipamentos com geometria otimizada. 4

5 REVISÃO DA LITERATURA Otimização de trocadores de calor => Aumento do COP MELHOR DESEMPENHO => Aumento da transferência de calor => Possibilidade de redução do tamanho 5

6 REVISÃO DA LITERATURA 1. Geometria do tubo: (Brauer, 1964), (Webb, 1989), (Ximenes, 1981), (Rocha et al., 1997), (Jang e Yang, 1998), (Bordalo e Saboya, 1999), (Saboya e Saboya, 001), (Webb e Iyengar,000), (Hasan e Siren, 004), (Hasan, 005).. Espaçamento entre tubos: (Bejan e Morega, 1993), (Bejan e Sciubba, 199), (Bejan et al., 1995), (Bar-Cohen e Rohsenow, 1984), (Kim et al., 1991), (Stanescu et al., 1996). 3. Número de fileiras de tubos: (Rich, 1975), (Rosman et al., 1984), (Jang et al., 1996), (Jang e Chen, 1997), (Rocha et al., 1997), (Wang et al., 1997), (Jang e Yang, 1998). 4. Disposição dos tubos: (Ay et al., 00), (Kundu et al., 006) 5. Condições ambientais dos tubos/aletas: (Jang et al., 1998), (Lin e Jang, 00). 6. Potencial de aplicação dos tubos elípticos: (Schulemberg, 1966), (Matos, 6 000), (Hasan, 005).

7 REVISÃO DA LITERATURA 7. Geometria da aleta: (Huang e Pu, 1995), (Jang e Chen, 1997), (Kundu e Das, 1997), (Wang et al., 1997), (Yun e Lee, 1999), (Yan e Sheen, 000), (Leu et al., 004), (Erek et al., 005), (Kundu et al., 006). 8. Espaçamento entre aletas: (Rich, 1973), (Jang et al., 1996), (Mendez et al., 000), (Wang e Chui, 000), (Erek et al.,005). 9. Material da aleta: (Rocha et al., 1997). 10. Correlações: (Elsayed et al., 003), (Khan et al., 004), (Elshazly et al. (005). 7

8 REVISÃO DA LITERATURA ARRANJO DE TUBOS ALETADOS TROCADOR DE CALOR Matos et al. ESCOLHEU PARA OTIMIZAÇÃO GLOBAL S: (S/b) e : (b/a) : (f f =t f /t f +) 8

9 REVISÃO DA LITERATURA Condicionador de ar split Ciclo de refrigeração Processos de tratamento do ar Psicrometria Dispositivos básicos para condicionamento de ar 9

10 MATERIAIS E MÉTODOS APARATO EXPERIMENTAL Antecâmara Câmara de teste 10

11 MATERIAIS E MÉTODOS APARATO EXPERIMENTAL Aparelho de ar condicionado analisado 11

12 MATERIAIS E MÉTODOS APARATO EXPERIMENTAL Evaporador original Evaporadores de teste 1

13 MATERIAIS E MÉTODOS APARATO EXPERIMENTAL Construção dos evaporadores de teste 13

14 MATERIAIS E MÉTODOS APARATO EXPERIMENTAL Dutos de insuflamento e retorno 14

15 MATERIAIS E MÉTODOS APARATO EXPERIMENTAL Manômetros, Balança, Termômetro digital, Termo_anemômetro, Medidor de energia, Termistores, Sensores de umidade relativa, Sistema de aquisição de dados, ANTECÂMARA unidade condensadora linha de sucção p sucção climatizador CLIMATIZADA p líquido unidade evaporadora retorno T S f S t antecâmara insuflamento CÂMARA DE TESTE T I f I resistência elétrica T WS T WE linha de expansão abertura de equalização 15

16 MATERIAIS E MÉTODOS METODOLOGIA Capacidade de refrigeração Q e V v h S - h I Q p Potência consumida pelo compressor P cp P T P V Coeficiente de performance COP Q P e cp 16

17 MATERIAIS E MÉTODOS METODOLOGIA Densidade volumétrica de transferência de calor adimensional total ~ q Q / (T k LHW/ S Taxa de transferência de calor total entre os tubos aletados Q V v c Incerteza das medições U a p T b T WE ) T ( S I ) P B a a ou U a a P a a B a a 17

18 MATERIAIS E MÉTODOS PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL unidade condensadora pcd manifold p ev cilindro condensador compressor rotativo capilar termômetro t s kg balança linha de sucção unidade evaporadora linha de expansão região extendida no insuflamento região extendida no retorno evaporador T I1 T I f I T I3 T S1 TS T S3 f S S4 T T S5 T S6 T T I4 TI5 I6 18

19 RESULTADOS E DISCUSSÃO RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL B C D E 060 = Re b Q e (kw) = Re b 1030 = Re b Q e (kw) = Re b tempo (h) tempo (h) Capacidade de refrigeração do evaporador circular Capacidade de refrigeração do evaporador elíptico 19

20 RESULTADOS E DISCUSSÃO RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL 060 = Re b 060 = Re b P cp (kw) = Re b P cp (kw) = Re b tempo (h) tempo (h) Potência de compressão do evaporador circular Potência de compressão do evaporador elíptico 0

21 RESULTADOS E DISCUSSÃO RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL = Re b 5 4 B 060 = CRe b D E COP = Re b COP = Re b tempo (h) tempo (h) COP para o evaporador circular COP para o evaporador elíptico 1

22 RESULTADOS E DISCUSSÃO RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL = Re b B C 060 = ReD b E ~ q ~ q = Re b 1030 = Re b tempo (h) tempo (h) Densidade volumétrica de transferência de calor adimensional total para o evaporador circular Densidade volumétrica de transferência de calor adimensional total para o evaporador elíptico

23 RESULTADOS E DISCUSSÃO RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL = Re b B C 060 D = Re b E COP = Re b q ~ = Re b e Ganho no Coeficiente de performance a favor do evaporador elíptico e Ganho na densidade volumétrica de transferência de calor adimensional total a favor do evaporador elíptico 3

24 CONCLUSÃO AS CONCLUSÕES CHAVES PARA ESTE TRABALHO ESTÃO LISTADAS COMO SEGUE: 1. Este trabalho desenvolveu, construiu e testou dois protótipos de trocadores de calor de tubos circulares e elípticos para ser adaptado em um aparelho comercial de ar condicionado do tipo split para aumento da sua eficiência.;. Testes comparativos foram conduzidos de acordo com as normas técnicas de ensaio de equipamentos de ar condicionado; 3. Estes resultados evidenciam a possibilidade do desenvolvimento mais aprofundado de métodos de fabricação de acordo com as características geométricas almejadas; 4. Os resultados demonstram que a geometria otimizada apresenta um ganho médio de 8 e 10,5%, no coeficiente de performance e de 8,3 e 13,7% na densidade volumétrica de transferência de calor adimensional total para Reb = 1030 e 060, respectivamente, a favor do evaporador elíptico, mostrando que os resultados são robustos, ressaltando a sua importância nos atuais projetos de engenharia. 4

25 ANÁLISE COMPARATIVA DO DESEMPENHO DO EVAPORADOR DE UM APARELHO DE AR CONDICIONADO SPLIT COM GEOMETRIA OTIMIZADA Tese inédita apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Paraná, como requisito para fins de progressão funcional para Professor Titular por avaliação (Resolução n o. 10/14-CEPE). Autor: Rudmar Serafim Matos Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica - DEMEC

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