PROJETO DE EVAPORADORES TUBO-ALETADOS COMPACTOS

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ UNIDADE DE CURITIBA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA PROJETO DE FINAL DE CURSO PROJETO DE EVAPORADORES TUBO-ALETADOS COMPACTOS CURITIBA SETEMBRO - 2004

DIEGO LUZA RAFAEL RODRIGO DE MELO RODRIGO ANZZOLIN PROJETO DE EVAPORADORES TUBO-ALETADOS COMPACTOS Projeto apresentado à disciplina de Projeto de Final de Curso, como requisito parcial à obtenção do grau de Engenheiro Mecânico, do Curso de Engenharia Industrial Mecânica, da Unidade de Curitiba, do CEFET-PR Orientador: Prof Cezar O Negrão, Dr CURITIBA SETEMBRO - 2004

TERMO DE APROVAÇÃO DIEGO LUZA RAFAEL MELO RODRIGO ANZZOLIN PROJETO DE EVAPORADORES TUBO-ALETADOS COMPACTOS Projeto apresentado à disciplina de Projeto de Final de Curso, como requisito parcial à obtenção do grau de Engenheiro Mecânico, do Curso de Engenharia Industrial Mecânica, da Unidade de Curitiba, do CEFET-PR Orientador: Prof Cezar O Negrão, Dr Departamento Acadêmico de Mecânica, CEFET-PR Banca Examinadora: Prof Cezar O Negrão, Dr Departamento Acadêmico de Mecânica, CEFET-PR Prof Rigoberto Eleazer M Morales, Dr Departamento Acadêmico de Mecânica, CEFET-PR Curitiba, Setembro de 2004 ii

AGRADECIMENTOS Aos nossos colegas, pelo grande apoio Ao nosso orientador pelo auxílio À ELECTROLUX DO BRASIL S/A pelo fornecimento dos recursos utilizados neste projeto iii

RESUMO A crise energética que recentemente atingiu o Brasil trouxe à tona a questão do consumo de energia elétrica em aparelhos de ar condicionado O presente trabalho apresenta uma metodologia de projeto de evaporadores tubo-aletados, visando a melhora de eficiência de aparelhos de condicionamento de ar Este trabalho utiliza uma ferramenta computacional para avaliação das propostas de evaporadores e uma metodologia de escolha dos melhores circuitos A partir de modificações nos circuitos de evaporação dos condicionadores, obteve-se nas simulações uma melhora na capacidade de refrigeração com uma menor perda de carga Porém, com os resultados experimentais, observou-se que o software apresentou alguns resultados incoerentes e desta forma não se mostrou totalmente confiável Palavras-chave Condicionador de Ar Evaporador Tubo-Aletado Simulação iv

ABSTRACT The energy crisis that recently reached Brazil, brought the question of the electric energy consumption of air conditioners The present report describes a method to design a finned-pipe evaporators, aiming the improvement of the air conditioner efficiency This method uses a computational tool for evaluation of the evaporators proposal and a methodology of choice of the best circuits From modifications in the circuits of evaporation, an improvement in the capacity of refrigeration with a lesser lost of pressure was gotten in the simulations However, with the experimental results, it was observed that software presented some incoherent results and of this form did not reveal total trustworthy Keywords Air Conditioner Finned-Pipe Evaporator Simulation v

LISTA DE FIGURAS Figura 1 Ciclo de compressão a vapor 7 Figura 2 Diagrama de pressão x entalpia do ciclo de compressão a vapor 7 Figura 3 Modelo empregado no projeto 34 Figura 4 Desenho esquemático do condicionador de ar 35 Figura 5 Desenho esquemático do Evaporador 36 Figura 6 Desenho esquemático da aleta 36 Figura 7 Telas inicias do software EVAPCOND 38 Figura 8 Tela para preenchimento dos dados construtivos do evaporador 39 Figura 9 Representação do evaporador pelo software 40 Figura 10 Menu Evaporator operating conditions 41 Figura 11 Circuito de evaporação 42 Figura 12 Dados de saída Temperatura de saída do refrigerante em cada tubo 43 Figura 13 Posição dos Termopares 46 Figura 14 Esquema do calorímetro balanceado 47 Figura 15 Esquema do calorímetro psicrométrico (Pereira, 2003) 48 Figura 16 Detalhe da câmara plena (Pereira, 2003) 49 Figura 17 Perfil de velocidades na entrada do evaporador 51 Figura 18 Configuração EV Zero do evaporador 62 Figura 19 Configuração EV 21 do evaporador 63 Figura 20 Configuração EV 47 do evaporador 64 Figura 21 Configuração EV 88 do evaporador 65 vi

LISTA DE TABELAS Tabela 1 Levantamento dos dados de entrada do programa 44 Tabela 2 Resultados das simulações 54 Tabela 3 Relação entre COP s 60 Tabela 4 Propostas selecionadas 61 Tabela 5 Resultados dos ensaios experimentais 66 Tabela 6 Resultados obtidos nas simulações 67 Tabela 7 Resultados obtidos nos ensaios experimentais 67 Tabela 8 Comparativo percentual dos resultados simulados e experimentais 68 Tabela 9 Resultados das simulações com valores de entrada obtidos a partir dos ensaios experimentais das configurações propostas 68 Tabela 10 Comparativo entre resultados experimentais e os resultados simulados a partir dos novos dados de entrada 69 Tabela A1 Folha de ensaio de vazão para o evaporador atual 75 Tabela A2 Folha de ensaio de vazão para o evaporador atual 76 Tabela A3 Folha de ensaio de capacidade de refrigeração para o evaporador atual 77 Tabela A4 Folha de ensaio de capacidade de refrigeração para o evaporador ZERO 78 Tabela A5 Folha de ensaio de capacidade de refrigeração para o evaporador 21 79 Tabela A6 Folha de ensaio de capacidade de refrigeração para o evaporador 47 80 Tabela A7 Folha de ensaio de capacidade de refrigeração para o evaporador 88 81 Tabela B1 Variação do coeficiente isoentrópico 83 vii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT CEFET-PR IPc LMTD - Associação Brasileira de Normas Técnicas - Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná - Instrução Padrão Cold - Log Mean Temperature Difference LP&D ARCON - Laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento de Ar-condicionados NBR NIST SA SI TBS TBU - Norma Brasileira de Regulamentação - National Institute of Standards and Technology - Sociedade anônima - Sistema Internacional - Temperatura de bulbo seco - Temperatura de bulbo úmido viii

LISTA DE SÍMBOLOS % - por cento A - área P - diferença de pressão T - diferença entre temperaturas T m - diferença de temperatura média logaritmica C p c p D δ ε ƒ F i φ G g g c h h c,o h D,o h fg h r,f j J k K f L Le m - capacidade térmica a pressão constante - calor específico a pressão constante - diâmetro - espessura média do filme condensado - efetividade de um trocador de calor - fator de atrito - fração de fluxo de massa - eficiência da aleta - fluxo de massa - aceleração da gravidade - constante dimensional - coeficiente de convecção ou película, entalpia - coeficiente de convecção de calor - coeficiente de transferência de massa do lado do ar - calor latente de vaporização - resistência térmica de contato tubo-aleta - fator j - equivalente mecânico de calor - condutividade térmica, coeficiente isentrópico - número de ebulição - comprimento - número de Lewis - vazão mássica µ - viscosidade absoluta η g - eficiência global no compressor ix

N - número de fileiras de tubos NUT - número de unidades de transferência p d p s Pr - pressão de descarga do compressor - pressão de sucção - número de Prandtl q - taxa líquida de transferência de calor Q - capacidade de refrigeração R - taxa de remoção de calor por unidade de área R' - taxa de condensação por unidade de comprimento Re - número de Reynolds R i ρ s S l S t t T T viz U V υ w a w w x - resistência ao escoamento em um ramo do circuito - densidade - passo entre aletas - passo entre colunas - passo entre filas - temperatura do ar - temperatura - temperatura das vizinhanças - coeficiente global de transferência de calor - velocidade - volume específico - umidade do ar - umidade de ar saturado na temperatura de filme da água - título do escoamento, deslocamento x dry - fração do comprimento do tubo com título de 0,85 a 1 x p - espessura da parede do tubo Y - fração do comprimento do tubo com título até 85% y - distância da parede W - potência COP - coeficiente de eficácia x

SUMÁRIO AGRADECIMENTOSiii RESUMOiv ABSTRACTv LISTA DE FIGURASvi LISTA DE TABELAS vii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLASviii LISTA DE SÍMBOLOSix SUMÁRIOxi 1 INTRODUÇÃO 1 11 FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS DE PROJETO2 12 ENSAIOS EXPERIMENTAIS 4 13 OBJETIVO DO TRABALHO5 2 PROJETO DE TROCADORES DE CALOR 6 21 METODOLOGIA USUAL PARA PROJETO DE EVAPORADORES 8 211 Coeficiente de Transferência de Calor entre Tubo e Fluido Refrigerante nos Evaporadores 10 212 Coeficiente de Transferência de Calor do Lado do Ar10 213 Resistência de Contato entre Tubos e Aletas 11 214 Efeitos do Óleo no Interior do Evaporador 11 215 Circuito de Evaporação12 22 METODOLOGIA DE PROJETO DE EVAPORADORES UTILIZADA NA ELECTROLUX 12 23 METODOLOGIA DE PROJETO DE EVAPORADORES UTILIZANDO FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS 13 24 METODOLOGIA DE PROJETO DE EVAPORADORES UTILIZADA NO PRESENTE TRABALHO 14 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 16 31 CONCEITOS APLICADOS 16 xi

32 O SOFTWARE EVAP-COND17 321 Método Tubo-a-Tubo 17 322 Distribuição de Refrigerante 18 323 Transferência de Calor em um Arranjo de Escoamento Cruzado 20 324 Coeficiente Global de Transferência de Calor para um Tubo Aletado 24 325 Queda de Pressão do Fluido Refrigerante no Tubo 32 4 METODOLOGIA 34 41 DESCRIÇÃO DO PROGRAMA38 42 LEVANTAMENTO DOS DADOS DE ENTRADA DO PROGRAMA 44 421 Procedimentos dos Ensaios Iniciais 45 4211 Preparação do produto45 4212 Ensaio de determinação de capacidade e eficiência de refrigeração 47 4213 Ensaio de determinação da vazão mássica de ar 48 4214 Determinação do perfil de velocidades na entrada do evaporador48 422 Análise dos Resultados Experimentais Iniciais 50 43 SIMULAÇÕES52 44 ENSAIOS EXPERIMENTAIS DAS PROPOSTAS ESCOLHIDAS53 5 RESULTADOS54 51 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES 54 52 ANÁLISE DOS RESULTADOS SIMULADOS57 53 RESULTADOS DOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS DOS PROTÓTIPOS66 54 ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS 67 6 CONCLUSÕES 70 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 72 APÊNDICE A RESULTADOS DOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS 74 APÊNDICE B VARIAÇÃO DO COEFICIENTE ISOENTRÓPICO 82 xii

1 1 INTRODUÇÃO O Brasil possui a maior rede de hidrelétricas do mundo, uma forma de produção de energia barata, renovável e não poluente Para chegar nesta situação, o país passou pela maior seca da história, ocorrida na década de 50, que causou um grande racionamento de energia, já que os níveis dos reservatórios das usinas estavam muito abaixo do normal Impulsionado por este fato, o governo da época resolveu aproveitar a grande bacia hidrográfica presente em todo o território e investiu pesado na produção de energia elétrica As novas usinas hidrelétricas tinham capacidade para suportar uma nova seca, caso acontecesse Novos governos vieram, os investimentos no setor elétrico foram reduzidos e a demanda de energia elétrica aumentava ainda mais, devido à grande industrialização do país e também ao crescimento das grandes cidades Todo o sistema de fornecimento de energia ficou comprometido e uma nova crise energética se desenvolvia A crise culminou com um black-out ocorrido em 2001 Fez-se necessário economizar energia elétrica para não sacrificar novamente o sistema de distribuição de energia do país Surgiu novamente a palavra racionamento no cotidiano do brasileiro Com isso, empresas de vários setores, principalmente eletrodomésticos, se viram obrigadas a fabricar produtos que tivessem um melhor rendimento, consumindo, portanto, menos energia Em 2000, segundo a Eletrobrás (2003), o Brasil consumiu 306,7 bilhões de kwh de energia elétrica O setor comercial, por exemplo, foi responsável pelo consumo de 15% deste total, ou seja, 42,6 bilhões de kwh De toda a energia consumida no setor comercial aproximadamente 14% é desperdiçada, o que

2 equivale a 5,8 bilhões de kwh Isto representa um desperdício de 2% de energia elétrica no Brasil Existem muitas "vias de desperdício" de energia na economia brasileira: seja por hábitos inadequados de consumo, utilização de aparelhos ineficientes ou falta de conhecimento técnico por parte dos grandes consumidores Uma das formas de evitar o desperdício de energia elétrica é elevar a eficiência energética de aparelhos eletrodomésticos, de modo especial os equipamentos condicionadores de ar A eficiência de um aparelho de refrigeração é definida como a razão entre a energia disponível para refrigeração e a energia consumida Com o objetivo de aumentar esta eficiência, pode-se atuar de duas formas: aumentar a eficiência do compressor ou a dos componentes do sistema de refrigeração (condensador, evaporador e dispositivo de expansão) Pela dificuldade apresentada no processo de fabricação dos evaporadores e pela complexidade de se avaliar o efeito de alterações nos mesmos, poucas alternativas são usadas para se obter uma melhor eficiência desses componentes 11 FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS DE PROJETO Cada vez mais o tempo de desenvolvimento de produtos vem diminuindo A criação, evolução e a grande utilização dos computadores colaboraram para este fenômeno Computadores e softwares são largamente empregados como ferramentas para desenvolvimento de projetos A variedade de softwares e recursos

3 encontrados atualmente abrange muitas áreas e possui aplicações das mais diversas, não encontrando restrições quanto à amplitude do seu emprego Uma das maiores preocupações na concepção de novos projetos é o custo Os custos associados a análises experimentais podem ser bastante elevados e muitas vezes proibitivos Comparativamente, as ferramentas computacionais apresentam custos relativamente baixos A diminuição do tempo de projeto, também é de suma importância Algumas vezes, o tempo utilizado para realizar um experimento é exageradamente elevado e ainda é limitado, pois é testada apenas uma configuração de cada vez Através de simulações computacionais, diferentes configurações podem ser testadas num curto espaço de tempo Com os recursos apresentados pelos softwares atuais, uma certa configuração pode ser facilmente modelada e apresentar resultados muito próximos da situação real No modelo utilizado para a simulação, pode-se verificar e obter valores em diversos pontos estudados que não seriam possíveis de serem medidos experimentalmente As ferramentas computacionais são, portanto, importantes no desenvolvimento de projetos atuais e não há dúvidas que são indispensáveis para o desenvolvimento de novos projetos

4 12 ENSAIOS EXPERIMENTAIS Apesar das vantagens apresentadas pelo uso das ferramentas computacionais, exige-se uma validação desse método Uma forma de obter essa validação é através dos ensaios experimentais, onde se estabelece um comparativo entre a análise computacional e a análise experimental, e assim, se comprova ou não a validade do método computacional A análise experimental muitas vezes leva desvantagem em relação à análise computacional quanto ao tempo e ao custo Na análise experimental existe a necessidade de protótipos que além de serem caros exigem um certo tempo para a sua produção O método experimental necessita também de equipamentos para estabelecer as condições de ensaios que reproduzam a situação real Outras necessidades são os equipamentos de medição, que devem oferecer confiança para a obtenção dos resultados e normalmente são onerosos e exigem cuidados especiais Obedecendo a certos cuidados, os ensaios experimentais trazem resultados confiáveis que levam em conta quase todos os fatores de funcionamento real de um sistema Por outro lado, a análise computacional faz uso de várias hipóteses simplificadoras que a priori não se mostram tão relevantes, mas que garantem uma maior agilidade de processamento Se não adequadamente empregadas essas hipóteses podem comprometer a fidelidade ao fenômeno real

5 13 OBJETIVO DO TRABALHO Os principais objetivos deste trabalho são: melhorar o desempenho de um determinado condicionador de ar doméstico, através do aumento da eficiência do seu evaporador, e validar uma nova metodologia de projeto com a utilização de ferramentas computacionais A partir de um projeto já existente de evaporador tubo-aletado (utilizado em um condicionador de ar Electrolux) serão propostas novas configurações Inicialmente, serão realizadas simulações computacionais de evaporadores através do programa EVAP-COND A ferramenta em questão foi desenvolvida por Domanski (1999) no NIST (National Institute of Standards and Technology) dos Estados Unidos Com base nas simulações, algumas soluções serão escolhidas e prototipadas e em seguida ensaiadas em laboratório

6 2 PROJETO DE TROCADORES DE CALOR Trocadores de calor são componentes que transferem energia térmica de um fluido para outro, sem a mistura dos dois Um exemplo bastante comum é o radiador automotivo Outros tipos de trocadores de calor comuns em nosso dia a dia são equipamentos como uma caldeira e componentes de refrigeradores e condicionadores de ar Todos os sistemas de refrigeração e de condicionamento de ar possuem pelo menos dois trocadores de calor: um condensador (para rejeitar calor) e um evaporador (para absorver calor) Existem vários tipos de evaporadores definidos pela sua forma construtiva: casco-tubo, placas, tubo-aletado, entre outros Uma ênfase especial será dada ao evaporador tubo-aletado utilizado nos condicionadores de ar domésticos Esses condicionadores utilizam o ciclo de compressão mecânica de vapor para a climatização de ambientes Segundo Stoecker e Jones (1985), os componentes empregados neste ciclo são compressor, dispositivo de expansão, condensador e evaporador, e estão dispostos conforme a Figura1

7 Q c CONDENSADOR 2 DISPOSITIVO DE EXPANSÃO 3 1 W COMPRESSOR 4 EVAPORADOR Q e Figura 1 Ciclo de compressão a vapor O ciclo padrão de compressão a vapor pode ser descrito em um diagrama pressão-entalpia, conforme mostra a Figura 2 Figura 2 Diagrama de pressão-entalpia do ciclo de compressão de vapor

8 O segmento 1-2 corresponde a uma compressão isentrópica de vapor; o segmento 2-3 descreve o comportamento do fluido ao passar pelo condensador, onde calor é rejeitado isobaricamente, passando do estado gasoso para o estado líquido O segmento 3-4 representa a expansão isentálpica do fluido ao passar por um dispositivo de expansão, causando uma diminuição da pressão O segmento 4-1 representa a evaporação, onde o fluido refrigerante absorve calor do meio isobaricamente e passa para o estado de vapor Os evaporadores utilizados nos condicionadores de ar domésticos são considerados trocadores de calor compactos Estes trocadores são caracterizados por possuírem uma densidade superficial de área maior que 700 m 2 /m 3 Tais componentes possuem matrizes de tubos aletados e são usados quando pelo menos um dos fluidos é um gás, por apresentar um coeficiente de transferência de calor baixo Apesar de existirem configurações cada vez mais complexas de evaporadores, o princípio físico de funcionamento é o mesmo: transferência de energia (denominada calor) devido a uma diferença de temperatura 21 METODOLOGIA USUAL PARA PROJETO DE EVAPORADORES Segundo Incropera e DeWitt (1998), é possível a utilização de dois procedimentos distintos para projeto de trocadores de calor Estes métodos são o LMTD (Log Mean Temperature Difference) e o método da efetividade (-NUT)

9 O método do LMTD consiste em usar uma média logarítmica das diferenças de temperaturas entre os fluidos que estão trocando calor Com essa média é possível determinar a taxa de calor transferido Esse método é adequado quando se possuem as temperaturas de entrada e saída dos fluidos Caso essas temperaturas não sejam acessíveis, deve-se usar um método iterativo para se obter a média logarítmica, tornando muitas vezes esse processo desvantajoso O método da efetividade -NUT pode ser usado quando se conhece as características do trocador, dimensões e vazões, por exemplo A efetividade é definida como a razão entre a taxa de transferência de calor efetivamente trocada e a máxima taxa de transferência de calor para um trocador contra-corrente Seu valor pode ser determinado através de um gráfico ou equação correspondente O uso deste método é facilitado quando se conhece a efetividade do trocador de calor a ser determinado O principal fator que determina a transferência de calor de um trocador tuboaletado é o seu coeficiente global de transferência de calor Esse coeficiente é definido em termos de resistências térmicas Para evaporadores tubo-aletados, os principais fatores que atuam na resistência térmica são o coeficiente de convecção do fluido refrigerante na parte interna dos tubos, o coeficiente de convecção do ar na parte externa do trocador (tubos e aletas) e a resistência térmica de contato entre tubos e aletas Acredita-se que ações a fim de reduzir essas resistências possibilitam obter trocadores mais eficientes quanto à troca térmica

10 Outros fatores importantes para projetos de evaporadores são a mistura de óleo e fluido refrigerante e o circuito de evaporação, que é o caminho percorrido pelo fluido refrigerante 211 Coeficiente de Transferência de Calor entre Tubo e Fluido Refrigerante nos Evaporadores O coeficiente de transferência de calor entre o fluido refrigerante e a parede interna do tubo do evaporador é difícil de ser determinado por se tratar de um escoamento bifásico Para a determinação desse coeficiente, pode-se utilizar as correlações de Shah (1976), Kandlikar (1983) e Gungor e Winterton (1986) Essas correlações admitem: - tubos dispostos horizontalmente; - evaporação nucleada; - fluido refrigerante puro; - tubos com paredes lisas; - coeficientes locais de transferência 212 Coeficiente de Transferência de Calor do Lado do Ar Conforme Kakaç (1988), os evaporadores tubo-aletados compactos são caracterizados por possuírem uma grande diferença entre coeficientes de convecção interno e externo O coeficiente de convecção do lado interno é muito maior do que o externo, exigindo assim uma área maior de troca de calor no lado externo

11 A transferência de calor entre a parte externa e o ar de um trocador de calor deste tipo leva em conta vários fatores As aletas, principalmente, têm grande importância na troca de calor, pois aumentam a superfície de troca e ficam em contato direto com o fluido externo, no caso o ar Sua geometria combinada com o fluxo de ar provido por ventiladores possibilitam ao trocador um bom desempenho Normalmente para trocadores de calor tubo-aletados compactos, as aletas são de alumínio, e devido a sua alta maleabilidade, permitem a sua confecção em vários formatos, que podem variar desde lisas até superfícies complexas 213 Resistência de Contato entre Tubos e Aletas Como se sabe, a resistência térmica de contato reduz a troca de calor entre os corpos envolvidos Nos trocadores de calor tubo-aletados, a resistência de contato está presente principalmente na interface entre os tubos e aletas Existem dois modos de fixar as aletas nos tubos dos trocadores: expandindo os tubos dentro de colares de aletas ou com uso de colas ou soldas No caso do uso de colas existirá um acréscimo na resistência térmica, pois tubos e aletas não estarão em contato direto Já para a expansão dos tubos não existe garantia de contato de toda a superfície dos colares das aletas com os tubos (Ernest et al, 1985) 214 Efeitos do Óleo no Interior do Evaporador Normalmente para projeto de evaporadores leva-se em conta que o fluido refrigerante que escoa seja puro Mas, sabe-se que para condicionadores de ar o óleo contido no compressor é distribuído para todo o sistema de refrigeração Acredita-se que a vazão de óleo no sistema de refrigeração dos condicionadores de

12 ar está entre 0,5% e 2% em sistemas com separadores de óleo e ultrapassa 5% para sistemas sem separadores (Kakaç, 1988) 215 Circuito de Evaporação O arranjo do circuito de evaporação do fluido refrigerante deve distribuir o fluido de modo que haja a maior troca térmica com o meio externo Quando o trocador possui mais de uma fila de tubos normalmente o fluxo de fluido refrigerante é disposto em sentido contrário à corrente de ar A otimização do circuito de evaporação nos trocadores tubo-aletados consiste em obter a máxima troca de calor e a mínima perda de carga nos tubos 22 METODOLOGIA DE PROJETO DE EVAPORADORES UTILIZADA NA ELECTROLUX Atualmente na empresa Electrolux, a metodologia usada para o desenvolvimento de trocadores de calor para condicionadores de ar é o da tentativa e erro Para um determinado projeto, são fabricados alguns protótipos de trocadores baseados em conceitos, como fluxo do refrigerante em contra-corrente com a corrente de ar e evaporação do fluido refrigerante no evaporador Os protótipos são então testados no sistema de refrigeração em desenvolvimento O trocador que apresentar o melhor desempenho é adotado Para os evaporadores, mais especificamente, tenta-se obter na sua saída o fluido refrigerante ligeiramente super aquecido Para que isso aconteça é variada a quantidade de fluido refrigerante no sistema até que se obtenha tal condição Sabese também que uma carga excessiva de fluido refrigerante eleva as pressões de

13 trabalho, exigindo uma potência maior do compressor, diminuindo assim a eficiência do condicionador de ar Para a realização dos ensaios experimentais são usadas câmaras climatizadas chamadas de calorímetros que são construídas segundo a norma NBR 5882 Condicionador de Ar Doméstico Determinação das Características (ABNT, 1983) Nos calorímetros são realizados ensaios que seguem procedimentos internos da Electrolux 23 METODOLOGIA DE PROJETO DE EVAPORADORES UTILIZANDO FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS Outro método que pode ser empregado para o desenvolvimento de trocadores de calor tubo-aletados é o uso de modelos computacionais, que detalham os fenômenos físicos através de métodos matemáticos O objetivo desses modelos é de prever o desempenho dos trocadores de calor antes de sua fabricação A partir da década de setenta surgiram os primeiros programas para simulação de bombas de calor e condicionadores de ar Apesar de mostrarem-se limitados, estes deram seqüência a uma série de outros novos programas Um modelo foi o TRUMP criado por Chi e Didion (1982) Esse programa era baseado em modelos analíticos e previa o funcionamento de uma bomba de calor residencial Outro modelo foi proposto por Domanski e Didion (1983) e era capaz de simular o funcionamento de condicionadores de ar que usavam tubo capilar Um método analítico mais específico para projeto de trocadores de calor tubo aletados foi sugerido por Domanski (1999) Esse método utiliza-se de uma ferramenta computacional EVAP-COND desenvolvida pelo NIST (National Institute of

14 Standards and Technology) Trata-se de um programa computacional com interface visual e faz uma análise tubo a tubo para quaisquer circuitos de fluido refrigerante e distribuição de ar não uniforme na entrada do trocador Estes cálculos são baseados nas condições de entrada do evaporador (título e pressão, por exemplo) e vazões mássicas do ar e do fluido refrigerante Através da interface visual do programa, que mostra uma vista lateral de um trocador de calor, pode-se selecionar o caminho que o refrigerante irá percorrer A simulação começa com a entrada de refrigerante no evaporador e prossegue ao longo do caminho do refrigerante nos tubos Inicialmente, a temperatura do ar é conhecida para a primeira fileira de tubos podendo assim, ser estimada para os outros tubos Uma simulação bem sucedida requer um número razoável de iterações através do circuito de refrigerante e em cada nova iteração são atualizados os dados de entrada de ar e refrigerante para cada tubo Quando a simulação está concluída, são apresentados os resultados referentes ao ar e ao refrigerante em cada tubo, o que facilita a compreensão e o aperfeiçoamento do sistema A capacidade de refrigeração do trocador além de outros parâmetros como título, temperatura do fluido refrigerante e temperatura de entrada e saída do ar são também apresentados 24 METODOLOGIA DE PROJETO DE EVAPORADORES UTILIZADA NO PRESENTE TRABALHO O método empregado para a realização do presente trabalho trata-se de um misto que utiliza a ferramenta computacional EVAP-COND e ensaios experimentais

15 O objetivo é melhorar a eficiência de evaporadores tubo-aletados empregados em condicionadores de ar domésticos Na etapa onde foi utilizado o software, foram propostas e testadas várias configurações de circuitos de evaporação A partir desses resultados foram selecionadas as melhores soluções que foram prototipadas, testadas experimentalmente e analisadas

16 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Este capítulo descreve sobre alguns métodos e correlações utilizados no desenvolvimento do projeto 31 CONCEITOS APLICADOS O conceito de capacidade de refrigeração aplicado em condicionadores de ar refere-se à quantidade de calor que estes podem retirar do ambiente, para isso podem ser usadas as seguintes equações: ( h h ) Q = m r ( 1 ) e s Q = U A T m ( 2 ) Onde Q é a capacidade de refrigeração do condicionador de ar; m r a vazão de refrigerante no trocador; h e a entalpia do fluido refrigerante na entrada do trocador; h s a entalpia do fluido refrigerante na saída do trocador; U o coeficiente global de transferência de calor; A a área de transferência de calor; T m é a diferença de temperatura média logarítmica O coeficiente de eficácia dos ciclos de refrigeração, COP, pode ser definido pela razão entre a capacidade de refrigeração e a potência consumida pelo compressor, segundo a equação: Q COP = ( 3 ) W como: A potência do compressor para um processo isoentrópico pode ser definida

17 k 1 k p k d W = m p S vs 1 ( 4 ) k 1 ps Onde k é o coeficiente isoentrópico do fluido refrigerante; p s a pressão de sucção do compressor; ν s o volume específico do fluido refrigerante na sucção do compressor e p d a pressão de descarga do compressor 32 O SOFTWARE EVAP-COND Este tópico foi feito com base em Domanski (1991) 321 Método Tubo-a-Tubo O programa é baseado em uma aproximação tubo-a-tubo Cada tubo, com aletas associadas, tem sua própria identidade O desempenho de cada tubo é analisado separadamente pela transferência de calor do fluxo cruzado de ar e relações apropriadas de transferência de calor e de massa Cada tubo é associado com parâmetros e vazão mássica de refrigerante, vazão mássica de ar, e temperatura e umidade de entrada do ar O programa consiste de duas partes funcionais Uma parte avalia o desempenho de um tubo aletado simples, e a outra parte seleciona os tubos em uma ordem adequada e atribui os valores dos parâmetros de entrada do ar e do refrigerante necessários para os cálculos A simulação inicia no tubo de entrada do refrigerante e avança para os demais tubos até alcançar a saída Caso haja uma divisão no circuito, o modelo continua

18 com os cálculos em um dos ramos, e quando a saída é alcançada, retorna-se ao ponto de divisão para calcular o ramo remanescente O sistema de seleção de cálculo dos tubos considera que as variáveis de entrada do refrigerante nos tubos são sempre conhecidas Estas são iguais aos parâmetros de saída dos tubos precedentes No início da simulação, a temperatura e a umidade relativa do ar são conhecidas apenas para os tubos da primeira fileira e estimadas para as demais fileiras Estas estimativas são atualizadas com novos valores à medida que os cálculos progridem 322 Distribuição de Refrigerante Em uma configuração de serpentina utilizando um dispositivo de expansão, a vazão mássica de refrigerante se ajusta para cada circuito de tal modo que as pressões de entrada e saída dos tubos são as mesmas O programa pode simular evaporadores com circuito único equipado com um dispositivo de expansão ou evaporadores com circuito duplo equipado cada um com dois dispositivos de expansão No caso de um dispositivo de expansão, o modelo inicia a simulação estimando a distribuição de refrigerante baseada no esquema do circuito Uma vez que a primeira iteração da rotina foi completada e a queda de pressão para cada tubo calculada, a distribuição do refrigerante é atualizada utilizando as quedas de pressão disponíveis A distribuição do refrigerante em uma serpentina é determinada pela análise seqüencial de cada ponto de separação e associada aos ramos do circuito O algoritmo para avaliação da distribuição do refrigerante derivase da correlação de Pierre (1964), a qual é utilizada no programa para cálculo da

19 queda de pressão do fluxo de refrigerante A equação para queda de pressão pode ser simplificada na seguinte forma: 2 P f G ( 5 ) onde P é a queda de pressão; ƒ é o fator de atrito; G é o fluxo de massa Considerando que o fator de atrito na correlação de Pierre é uma função do número de Reynolds elevado à potência 0,25, pode-se reajustar a equação acima para obter a seguinte relação para cada ramo do circuito: R G = P ( 6 ) i 1,75 i i onde Ri é a resistência ao escoamento, Gi é o fluxo de massa, P é a queda de pressão e i indica o ramo em análise A equação (6) permite calcular a resistência ao escoamento para cada ramo usando a queda de pressão do refrigerante, P i, e o fluxo de massa, G i, calculados na iteração anterior Uma vez conhecidas as resistências ao escoamento, R i, a equação (6) permite determinar os fluxos de massa para ambos os ramos, considerando o fato que as quedas de pressão ao longo de todos os ramos (associados ao mesmo ponto de divisão) são as mesmas Sendo a soma de todas as frações de fluxo de massa de refrigerante ao longo dos ramos igual ao fluxo de massa no ponto de divisão, a seguinte equação é válida: n F 1 + F2 + + F n = F i = 1 ( 7 ) i= 1

20 onde F i é a fração de fluxo de massa A equação (7) e as frações dos fluxos de massa obtidos na equação (6) constituem um sistema de n equações e n incógnitas Este sistema pode ser resolvido para expressar a fração da vazão mássica de refrigerante fluindo ao longo de qualquer um dos ramos 323 Transferência de Calor em um Arranjo de Escoamento Cruzado Considerando um simples tubo em um trocador de calor ar-refrigerante, o problema de transferência de calor se reduz a um problema de escoamento cruzado Para esta situação, expressões fechadas podem ser obtidas baseadas na teoria de transferência de calor para escoamento cruzado De acordo com a equação geral de transferência de calor: q" = U A ( 8 ) T m onde q é a taxa líquida de transferência de calor, U é o coeficiente global de transferência de calor, A é a área e T m é a diferença de temperatura média logarítmica Em uma das correntes, a taxa de transferência de calor pode ser calculada pela equação: q = m ( h e h ) ( 9 ) " i

21 onde m é a vazão mássica, h é a entalpia Os índices i e e indicam entrada e saída do fluido refrigerante, ou de ar, respectivamente p ( T T ) q" = m C ( 10 ) e i onde Cp é a capacidade térmica a pressão constante e T é a temperatura Os índices i e e indicam entrada e saída do fluido refrigerante, respectivamente As equações (9) e (10) permitem o cálculo da taxa de transferência de calor em um tubo com fluxo de refrigerante em duas fases ou superaquecido Escoamentos bifásicos ou de única fase podem ser identificados, e as frações do comprimento do tubo correspondentes a cada tipo de escoamento podem ser calculadas O modelo reconhece o escoamento como anular para títulos até 0,85 O escoamento turbulento é assumido para títulos maiores que 0,85 e menores que 1,0 Título igual a 1,0 indica que o fluido está na forma de vapor superaquecido A escolha do título de 0,85 como sendo o ponto de transição entre os regimes de escoamento anular e turbulento é uma composição entre diferentes trabalhos Pierre (1957) propôs sua correlação para o coeficiente de transferência de calor evaporativo em escoamento anular para título de até 0,90, enquanto que Sthapak et al (1976) divulgou a transição entre o escoamento anular e o turbulento para um título de aproximadamente 0,80 De fato, o título de transição irá variar com as condições do refrigerante e de operação Para escoamento anular,

22 ( ) = a p a o i i a p a c m A U T t c m q,, exp 1 " ( 11 ) onde T é a temperatura do refrigerante, t é a temperatura do meio externo, U é o coeficiente global de transferência de calor e A é a área Os índices r, a, e o indicam, respectivamente, refrigerante, ar e saída Caso a taxa de transferência de calor, q, proporcione um título de refrigerante na saída do tubo maior do que 0,85, a taxa de transferência de calor dentro de um regime de escoamento anular será: ( ) i r r h h m q = 85,0, " ( 12 ) A fração do tubo com título de até 0,85, Y, pode ser calculada pela equação: ( ) ( ) = a p a o i i a p a i r r c m A U T t c m h h m Y,,,0,85 exp ( 13 ) onde Y é a fração do tubo com título até 85% Para escoamento turbulento, ( )( ) = a p a o i i a p a c m A U T t Y c m q,, exp 1 1 " ( 14 ) onde q é a taxa de transferência de calor

23 Se a taxa de transferência de calor calculada resultar em uma entalpia do refrigerante que exceda a de vapor saturado, h r,v, a taxa de transferência de calor para o escoamento turbulento será: ( ) i r V r r h h m q,, " = ( 15 ) A fração do tubo com escoamento turbulento, x dry, pode ser calculada pela seguinte equação: ( ) ( )( ) = a p a o i i a p a i r V r r dry c m A U T t Y c m h h m x,,,, exp 1 1 ( 16 ) onde x dry é a fração do comprimento do tubo com título entre 85% a 100% Para um escoamento superaquecido, ( ) ( ) = q p a o r p r a p a dry i i r p r c m A U c m c m x Y T t c m q,,,, exp 1 1 exp 1 " ( 17 ) A identificação da forma do escoamento e das frações dos comprimentos dos tubos permite o uso das correlações apropriadas para o cálculo da queda de pressão e da transferência de calor Para o cálculo da queda de pressão, o modelo utiliza diferentes correlações para partes do escoamento bifásico e superaquecido O cálculo da transferência de calor aplica diferentes correlações de transferências de calor internas ao tubo para escoamentos anulares, turbulentos e vapor superaquecido

24 324 Coeficiente Global de Transferência de Calor para um Tubo Aletado O coeficiente global de transferência de calor (U) para um tubo aletado pode ser derivado somando as resistências individuais de transferência de calor entre o refrigerante e o ar Esta análise para um tubo do evaporador precisa incluir o processo de desumidificação A análise de tubo úmido é aplicável para um evaporador quando sua temperatura superficial está abaixo da temperatura do ponto de orvalho do ar Como resultado, a umidade do ar é removida pela condensação de vapor de água na superfície externa do evaporador Em uma temperatura de evaporação acima do ponto de congelamento, o condensado escorre pelas aletas pela influência da gravidade A taxa de transferência de calor entre a corrente de ar e a superfície da água é descrita pela seguinte equação: dq = ] da ( 18 ) [ hc, o ( Ta Tw ) + hd, o( wa ww ) h fg, w o onde h c,o é o coeficiente de transferência de calor, h D,o é o coeficiente de transferência de massa do lado do ar, w é a umidade absoluta, e h fg é o calor latente de vaporização O primeiro termo é referente à transferência de calor sensível e o segundo termo à transferência de calor latente O número de Lewis é definido como: hc, o Le =, ( 19 ) h c D, o p, a

25 onde Le é o número de Lewis e é assumido igual a 1 A eficiência da aleta (φ) é aproximadamente a razão da mistura dos diferentes componentes: w a m f a w w w w =, φ ( 20 ) A partir da equação (20) pode-se derivar a equação abaixo para um tubo com aletas planas: ( ) ( ) ( ) ( ) o w a o f w a a p w a w fg o c da T T A A T T c w w h h dq + = 1 1 1,,, φ ( 21 ) A condução unidimensional através de filme de condensado pode ser expressa por: o w w da T k dq = δ ( 22 ) onde k w é a condutividade térmica da água, δ é a espessura do filme líquido, T w é a variação de temperatura para o filme de condensado Considerando todas as resistências individuais para o fluxo de calor obtém-se para o coeficiente global de transferência de calor: ( ) ( ) ( ) 1,,,,,, 1 1 1 + + + + = φ δ o f w a a p w a w fg o c tf o p o w p m p p o i p i o A A T T C w w h h h A A k k A x A A h A U ( 23 )

26 onde A o é a área de saída; A p,i é a área externa do tubo; A p,m é a área média do tubo; A p,o é a área de saída do tubo; A f é a área das aletas; x p é a espessura de parede do tubo, k p é a condutividade térmica do tubo, k w é a condutividade térmica da água e h t,f é a resistência de contato tubo-aleta A desumidificação constitui talvez o mais complicado processo na operação do evaporador e é extremamente difícil de simular Esta dificuldade está expressa em duas quantidades envolvidas na equação acima: a espessura do filme líquido, δ, e a razão de umidade de ar saturado na temperatura do filme líquido, w w A condensação da umidade pode algumas vezes ocorrer somente em uma parte da superfície externa do tubo Isto pode acontecer, por exemplo, para um tubo em que o refrigerante está no estado de vapor superaquecido tendo as temperaturas de entrada e saída abaixo e acima da temperatura do ponto de orvalho do ar, respectivamente Outro caso provável é quando a temperatura do refrigerante está um pouco abaixo da temperatura do ponto de orvalho do ar Neste caso, a condensação irá ocorrer na superfície dos tubos e naquela parte da área da aleta que está abaixo da temperatura do ponto de orvalho Na superfície da aleta mais afastada do tubo não irá ocorrer condensação Uma modelagem rigorosa da condensação de vapor da água requer a identificação da área superficial acima e abaixo da temperatura do ponto de orvalho Esta tarefa é extremamente difícil O efeito das muitas variáveis afetando os perfis de temperatura da superfície é desconhecido Nota-se que o comportamento instável do escoamento e a temperatura dos tubos vizinhos no perfil de temperatura da aleta são complexos Pelas razões acima, esta parte da simulação é realizada utilizando

27 algumas simplificações porque os fenômenos são muito complexos para um programa geral de simulação de evaporadores O programa calcula a remoção de umidade da corrente de ar separadamente para um tubo com aletas As aletas são consideradas circulares e com áreas iguais Um perfil linear de temperatura para a superfície é considerado e porções do tubo com e sem condensação são determinadas Também, um perfil de temperatura linear é assumido para uma aleta equação: Temperatura média para a superfície de aleta, T f,m, pode ser expressa pela 1 T, ( 24 ) f m = T da f A f Aplicando um perfil de velocidades linear em toda a aleta e integrando, obtémse: T f, m = T p + ( T T ) f p 2 3 D D t t D 3 2 4A f ( D D ) t p, o D + 6 p, o 3 p, o ( 25 ) onde T p é a temperatura do tubo, T f é a temperatura da aleta; D t é o diâmetro externo da aleta e D p,o é o diâmetro de saída do tubo Com a temperatura média da aleta, pode-se calcular a sua eficiência pela seguinte equação:

28 T = T φ ( T T ) f, m a a p ( 26 ) A temperatura mais alta da aleta, T t, e o diâmetro da aleta onde ocorre a condensação, D C, pode ser determinado Assumindo que a umidade absoluta do ar saturado varia linearmente com a temperatura, a umidade absoluta do ar saturado correspondente à temperatura média da superfície da aleta pode ser calculada pela seguinte equação: w w = w p + ( w w ) c p 2 3 D D c c D 3 2 4 A f, c p, o ( D D ) c D + 6 p, o 3 p, o ( 27 ) A umidade absoluta do ar na saída, w a,e, pode ser derivada a partir da equação de transferência de massa: a, d dwa = hd, o ( wa ww ) dao m ( 28 ) equação: Assumindo que número de Lewis é igual a 1 e integrando, chega-se à seguinte w a, e = w a, i ( ) c, o o w a, i ww 1 exp c p, a m a, d h A ( 29 ) A taxa de remoção de vapor por unidade de área, R, pode ser agora calculada por:

29 ( w w ) a, i o a, e R = m a, d ( 30 ) A onde é a vazão mássica de ar seco; w a,i é a umidade absoluta do ar na entrada m a, d e w a,e é a umidade absoluta do ar na saída Assumindo que não há drenagem de ar no filme líquido, sua velocidade local é expressa pela solução da equação de Navier-Stokes para um escoamento viscoso em uma parede vertical: V Z [ 0,5 y y δ ] ρ w g = 2 ( 31 ) µ w onde V z é a velocidade na coordenada z, ρ w é a densidade da água; g é a aceleração da gravidade; µ w é viscosidade absoluta da água; y é a distância da parede Aplicando a equação da continuidade para o filme líquido na unidade de comprimento: δ m( z) = ρ Vz dy ( 32 ) 0 Assumindo uma taxa de condensação uniforme na aleta, a espessura média do filme de condensado pode ser obtida pela integração de uma espessura do filme local ao longo da altura da aleta e dividindo a expressão obtida pela altura O resultado da expressão é como segue:

30 1 µ 3 w R δ = 1,082 ( 33 ) 2 g ρ w O coeficiente de transferência de calor do lado ar para um tubo com aletas planas é calculado por uma correlação que provê uma média de valores do fator j para um trocador de calor com quatro ou mais filas de tubos (depois da 4ª fileira o fator j não se altera): 0,502 0,0312 0,32 S t 4 0,14 Re s j = ( 34 ) S l D p, o onde Re é o número de Reynolds, S t é o passo entre filas de tubos, S l é o passo entre colunas de tubos e s é o passo entre aletas ou j 4 hc, opr = ( 35 ) G c c 2 3 p, a onde Pr é o número de Prandtl Para calcular um valor médio para o fator j em um trocador de calor com menos de quatro filas, j N (onde N<4), tem-se a seguinte equação: j N = 0,607 ( 4 N ) 0,031 N 0,092 j4 0,991 2,24 Re ( 36 ) 4

31 A simulação tubo-a-tubo do programa requer um valor do coeficiente de transferência de calor do lado do ar para um tubo em uma dada fila Assumindo que cada fila contribui igualmente na média do coeficiente de transferência de calor no lado do ar da serpentina, o valor do coeficiente de transferência de calor para a fila N, j N,R, pode ser aproximado por: ( N 1) j 1 j ( 37 ) N, R = N j N N O coeficiente de transferência de calor para aletas onduladas e ventiladas (em inglês waves e louvre) é calculado utilizando o coeficiente de aletas planas e multiplicando este por um fator apropriado para aquelas aletas O coeficiente de transferência de calor dentro de um tubo com convecção forçada, h i, varia fortemente entre as superfícies lisas e ranhuradas O coeficiente de transferência de calor para um tubo liso é calculado pelas seguintes correlações: - escoamento com duas fases para títulos abaixo de 0,85, utilizam a correlação de Gungor e Winteton (1986); - escoamento com duas fases e título no intervalo de 0,85 a 1,0, h i ( 1,0 x) h0,85 + ( x 0, 85) h1, 0 = ( 38 ) onde h 0,85 é o coeficiente de transferência de calor para x = 0,85 obtida pela correlação de Gungor e Winteton (1986); h 1,0 é o coeficiente de transferência de calor para x = 1,0, obtida pela correlação de Colburn (1930); (escoamento de única fase - vapor superaquecido)

32 A resistência térmica de contato do tubo-aleta, h rf, é calculada pela correlação de Sheffield et al (1989) 325 Queda de Pressão do Fluido Refrigerante no Tubo A queda de pressão total para o escoamento em um tubo consiste nas quedas de pressão devido à fricção, alteração do momento e gravidade A queda de pressão gravitacional é desconsiderada no programa A queda de pressão para escoamento bifásico em evaporação em um tubo liso é calculada pela correlação proposta por Pierre (1964) baseada em seus experimentos com refrigerantes R-12 e R-22 A correlação de Pierre combina os efeitos do atrito e quantidade de movimento em uma equação: L x P 2 = f + G vm ( 39 ) D p, i x onde L é o comprimento e ν m é o volume específico médio Os valores das variáveis da equação (39) podem ser calculadas pelas seguintes equações: v m L m ( v v ) = v + x ( 40 ) V L K f 0,25 f = 0,0185 ( 41 ) Re K f J i fg x g c = ( 42 ) L g

33 onde: J é o equivalente mecânico de calor; g c é a constante dimensional e ainda: G D p, i Re = ( 43 ) µ L onde µ L é a viscosidade absoluta do líquido saturado A equação para o fator de atrito (equação 41) contém o número de Reynolds e o termo K f referenciado como um número de ebulição, o qual faz o fator de atrito sensível a taxa de geração de vapor na interface líquido-vapor A queda de pressão para um escoamento em única fase é calculada pela combinação da queda de pressão friccional e a queda de pressão dinâmica A queda de pressão friccional é calculada pela equação de Fanning com o fator de atrito de Fanning como segue nas equações (44) e (45): 2 dp 2 f G = ( 44 ) dl ρ D p, i 0,2 f = 0,046 Re ( 45 ) A queda de pressão para alteração da quantidade de movimento é calculada pela seguinte equação: dp dv = G 2 ( 46 ) dl dl

34 4 METODOLOGIA O presente trabalho tem o objetivo de obter uma maior eficiência nos condicionadores de ar, através de melhorias nos evaporadores tubo-aletados Tentou-se identificar o evaporador mais eficiente pela utilização de ferramentas computacionais e ensaios experimentais, atuando na busca de um sistema de evaporação que possibilite para a mesma troca térmica, uma menor diferença de temperatura entre o evaporador e as vizinhanças, obtendo assim menores irreversibilidades O condicionador de ar empregado na pesquisa trata-se do EAE10F, um modelo Electrolux lançado em janeiro de 2004 no mercado nacional O produto caracterizase por apresentar duas saídas de ar e um design inovador (Figura 3) Outra característica do produto é a capacidade de refrigeração de 9500 Btu/h em um produto compacto, sendo assim o menor produto da categoria Figura 3 Modelo empregado no projeto O sistema de refrigeração do produto é caracterizado conforme o esquema na Figura 4 O sistema utiliza como fluido refrigerante o R22 (clorodiflurmetano) O evaporador, foco do projeto, possui três fileiras de tubos, cada uma com 15 tubos de

35 cobre com ranhuras internas (Figura 5) As aletas são do tipo louverianas ou ventiladas e o material empregado para sua confecção é o alumínio (Figura 6) Hélice Radial Compressor Hélice Axial Evaporador Tubo Capilar Condensador Figura 4 Desenho esquemático do condicionador de ar

36 Figura 5 Desenho esquemático do Evaporador Figura 6 Desenho esquemático da aleta

37 A primeira etapa do projeto depende diretamente do software EVAP-COND Foi necessário, portanto, familiarizar-se com esta ferramenta e todos os recursos providos pelo programa, bem como suas limitações A partir disto, foram levantados os parâmetros iniciais para o funcionamento do programa As normas, os equipamentos e os procedimentos de medição foram avaliados com o objetivo de definir o conjunto de parâmetros necessários ao funcionamento do programa Um tubo de Pitot foi empregado para medir a velocidade do ar em vários pontos na entrada do evaporador e assim determinar o perfil de velocidades A medição da vazão de ar que passa pelo evaporador em uma condição normal de operação foi realizada em túnel de vento, que mede a perda de carga do escoamento de ar pelo condicionador Outros parâmetros a serem medidos são as temperaturas de condensação e evaporação do condicionador de ar Essas temperaturas foram medidas nas condições de ensaio de capacidade de refrigeração, determinadas por procedimentos da Electrolux (IPc-07,2003) Os parâmetros construtivos do condicionador de ar foram levantados a partir dos desenhos do produto e também dos laudos dos fornecedores dos componentes Com o levantamento de todos esses dados foi possível a utilização do programa computacional EVAP-COND As simulações das diferentes configurações são iniciadas combinando os diferentes parâmetros e buscando sempre aumentar a troca térmica