Influencia da formação de geada em evaporadores do tipo tubo-aletado usando um modelo distribuído

Abstract

Evaporadores são trocadores de calor usados em sistemas de refrigeração com a função de transferir calor do ambiente a ser refrigerado. As baixas temperaturas de operação desses trocadores de calor favorecem a formação de geada sobre suas superfícies. O acúmulo de geada, dependendo de sua espessura, pode reduzir a capacidade de refrigeração do evaporador e, consequentemente, reduzir também o desempenho do sistema de refrigeração. Neste trabalho apresenta-se um modelo distribuído para analisar a influência da formação e do adensamento de geada sobre o desempenho de evaporadores do tipo tubo-aletado, comumente usados em refrigeradores frost-free. O escoamento do fluido refrigerante no interior dos tubos é considerado unidimensional e dividido em duas regiões: uma de escoamento bifásico e outra de vapor superaquecido. A queda de pressão do escoamento no interior dos tubos é considerada. As equações fundamentais de conservação da massa, da quantidade de movimento e de conservação de energia são usadas para modelar o escoamento do fluido refrigerante. Na região bifásica o escoamento é analisado segundo o modelo homogêneo. A equação da conservação da energia na parede do tubo também é resolvida, para o cálculo da distribuição de temperatura ao longo dessa parede. Do lado do ar, os princípios de conservação da massa, quantidade de movimento e de conservação da energia são empregados para simular a formação e crescimento da geada sobre a superfície do evaporador. O sistema de equações governantes é integrado numericamente e resolvido iterativamente por substituições sucessivas. Os resultados obtidos pelo modelo apresentam boa concordância em relação aos dados experimentais disponíveis na literatura. Considerando toda faixa analisada de temperatura do refrigerante na entrada do evaporador, -25,9 °C a -20,2°C, os desvios absolutos médios entre os resultados calculados e os dados experimentais em relação à capacidade de refrigeração do evaporador e à massa de geada formada são, respectivamente, 8,1% e 6,0%. Dentre todos os testes realizados, durante o intervalo de tempo de quatro horas ocorreu uma redução média de 8 % na capacidade de refrigeração do evaporador em razão da concentração de geada sobre a superfície dos tubos e aletas.

Evaporators are heat exchangers of the refrigeration systems used to transfer heat from the refrigerated environment. Their low operating temperatures favour the frost formation on their surfaces. Frost accumulation, depending on its thickness, can reduce the evaporator cooling capacity and, consequently, also reduce the refrigeration system performance. This work presents a distributed model to analyze the influence of formation and frost densification on the performance of tube-finned evaporators, commonly used in “no-frost” household refrigerators. The refrigerant flow inside the tubes is taken as one-dimensional and divided in a two-phase flow region and a superheated vapor flow region. The pressure drop inside the tubes is considered. The fundamental equations of mass conservation, momentum, and energy conservation are used in order to model the refrigerant flow. The homogeneous flow model is employed for the two-phase flow region. The energy conservation equation for the evaporator tube wall is also solved to obtain of wall temperature distribution. On the air side, the principles of mass conservation, momentum and conservation of energy are employed to simulate the formation and frost growth on the evaporator surface. The system of equations is integrated numerically and solved iteratively by successive substitutions. Comparisons between numerical results obtained in this work and experiments available in open literature show good agreement. Considering the entire range analyzed of refrigerant temperature at the evaporator inlet, -25.9 °C to -20.2 °C, the means absolutes deviations in relation to the experimental data, regarding the cooling capacity and the frost mass are 8,1% e 6,0%, respectively. Among all tests that were carried out, during the four hour interval there was an average reduction of 8% in the cooling capacity due to the concentration of frost on the surface of the tubes and fins.