Análise termodinâmica de evaporadores tubo-aleta operando em condições de formação de geada

Abstract

Resumo: Evaporadores tubo-aleta são utilizados em sistemas de refrigeração nos quais há condições favoráveis para a formação de geada, como temperaturas de evaporação abaixo de 0°C e graus de super-resfriamento acima de 5°C. Em tais condições as características do escoamento e da transferência de calor são diferentes para cada região do evaporador, de forma que a distribuição de aletas e a razão de aspecto afetam o comportamento térmico e hidráulico deste componente. O presente estudo busca a otimização da geometria de um evaporador tubo-aleta com base na termodinâmica, levando em consideração os processos de formação de geada, de degelo e um modelo de gabinete refrigerado operando de forma cíclica. Para tal, um modelo totalmente algébrico foi desenvolvido para simular o comportamento termo- hidráulico de evaporadores tubo-aleta operando em condições favoráveis à formação de geada em um gabinete refrigerado sujeito ao processo de degelo. O modelo de formação de geada foi calibrado e validado contra dados experimentais obtidos na literatura. A taxa de geração de entropia e o consumo energético foram adotadas como funções objetivo de minimização no processo de determinação de configurações geométricas ótimas para o evaporador. Concluiu-se que a definição de restrições de projeto representa um fator crítico para a definição de geometrias ótimas, sendo predominantemente robustas as geometrias que provocam condições de maior eficiência.

Abstract: Tube-fin evaporators are used in refrigeration systems which frost formation conditions are likely, such as evaporation temperatures below 0°C and super cooling degrees above 5°C. In such conditions, the airflow and heat transfer behaviors are different for each region of the evaporator in such a fashion that the fin distribution and the aspect ratio change the thermal-hydraulic behavior for this component. This study search for an optimization path of a tube-fin evaporator's geometry based on thermodynamics, taking in consideration the process of frost formation, defrost and a refrigeration cabinet model with cycling operation. For this, a fully algebraic model was developed to simulate the thermal-hydraulic behavior of tube-fin evaporators operating under frost formation conditions in a refrigerated cabinet subjected to defrosting process. The frost formation model was calibrated and validated against experimental data obtained in the literature. The entropy generation rate and the energy consumption were adopted as the minimization function in the process of finding optimal geometrical configurations for the evaporator. The conclusion is that the definition of project's constraints represents a key factor for the definition of optimal geometries; the ones with higher efficiency are mainly robust (low aspect ratio).