Defrost Cycle Optimization for Fan-Supplied Tube-Fin Evaporators Subjected to Frosting Conditions

Frost accretion on a tube-fin evaporator surface raises its thermal and hydraulic resistances, which in turn deteriorates the cooling capacity of the refrigeration system. For this reason, periodic defrost operations are required to recover the initial performance of the system. Most defrost techniques rely on supplying heat to the frost layer. Due to technological and thermodynamic limitations, only part of the heat supply is effectively used to melt the frost built-up on the evaporator, while the rest increases the refrigerator thermal load. Therefore, the amount of heat dissipated, the duration of a defrost operation, and the time between two consecutives defrost operations must be considered for properly designing the defrost system. The present paper assesses, by means of a simulation model that considers the airflow reduction with frost accretion, the effects of evaporator operating and geometric conditions, and defrost cycle parameters on the time-averaged cooling capacity. The results pointed out the existence of an optimum time for the defrost operation, indicating that short intervals between two defrost operations increase the thermal load by frequent heat supply, whilst long intervals promote severe capacity depletion by frost clogging

Análise da formação de gelo e geada e seu efeito no desempenho termo-hidráulico de evaporadores do tipo tubo aletado

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaOs programas governamentais de eficiência energética têm se tornado cada vez mais exigentes quanto à utilização racional e eficiente das fontes de energia, com ações que forçam os fabricantes a desenvolverem produtos de alto desempenho e estimulam os consumidores a adquiri-los. No segmento de refrigeração comercial, responsável por uma significativa parcela do consumo energético nacional, os equipamentos trabalham geralmente com temperaturas de evaporação próximas a -10°C, o que favorece o acúmulo de geada sobre a superfície do evaporador. Dependendo da espessura da camada de geada, observa-se uma drástica redução na taxa de transferência de calor, devida aos efeitos combinados da baixa condutividade térmica da geada e do aumento da perda de carga no lado do ar. Esse último causa um impacto marcante sobre a vazão de ar em circulação. No entanto, a maioria dos trabalhos disponíveis na literatura despreza tal efeito, independentemente da redução da área de passagem do escoamento de ar. Dessa forma, o presente trabalho se propõe a investigar o impacto da formação de geada sobre a capacidade de refrigeração de sistemas comerciais, considerando o acoplamento hidrodinâmico do par evaporador-ventilador. Um aparato experimental capaz de controlar as principais variáveis envolvidas no fenômeno foi construído para obtenção de uma base de dados experimental. Adicionalmente, empregando os princípios de conservação da massa, energia e quantidade de movimento, desenvolveu-se um modelo matemático para simular o crescimento da camada de geada sobre a superfície do evaporador considerando o acoplamento existente entre o ventilador e o evaporador. A base de dados foi empregada para obtenção de uma correlação inédita para a densidade da geada. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com a base de dados, permanecendo dentro da faixa de incerteza das medições. Verifica-se que a elevação do grau de super-resfriamento provoca o aumento da taxa de transferência de massa e a redução da densidade da geada, resultando em uma camada de geada mais espessa. Foram observadas reduções de até 40% na taxa de transferência de calor devido à formação de geada. Adicionalmente, verificou-se que o ventilador e o evaporador devem ser projetados de forma acoplada a fim de manter a capacidade de refrigeração durante um maior período de tempo.This study presents a numerical and experimental analysis of the thermal-hydraulic performance of tube-fin evaporators for light commercial refrigeration systems under frosting conditions. Since such a kind of appliance is generally designed with air curtains or subjected to frequent door opening, a certain amount of the ambient air infiltrates into the refrigerated space. This promotes the growth of a frost layer on the evaporator surface, which may completely block the gap between the fins if a proper defrost operation does not take place. The frost layer reduces the system cooling capacity by adding an extra thermal resistance to the evaporator tubes and also by reducing the fan-supplied air flow rate. In this study, a closed-loop wind tunnel was used to measure the thermal performance of tube-fin evaporators with different geometries. The air temperature and humidity at the inlet of the evaporator were controlled by the wind tunnel system, while a secondary refrigeration loop was used to set the evaporator surface temperature. The air flow rate was controlled by a variable-speed fan which emulates the real fan behavior. Moreover, frost thickness measurements were also carried out by using a digital camera equipped with zoom lens. The numerical results were compared with the experimental accumulated mass of frost, air pressure drop, air flow rate and cooling capacity, with all the predictions falling within the experimental band of uncertainties. Based on this comparison, a new correlation for the frost density was developed to be specifically applied to light commercial refrigeration products. The results show evaporator cooling capacity reductions up to 40% due to frost formation process. It was observed that the effect of the reduction of the air flow rate on the evaporator cooling capacity surpasses that of the extra thermal insulation of the frost layer. Furthermore, it was observed that, after a reasonable amount of frost has been grown, the louvered-fin evaporator showed a 10% lower cooling capacity when compared to the wavy-fin evaporator with the same fin pitch. These results indicate that under frosting conditions the pair fan-evaporator must be designed as a coupled system, in order to maintain the original refrigeration capacity for longer periods, increasing the time between successive defrosting processes and, therefore, improving the thermal performance of the entire system

Análise teórico-experimental da expansão transcrítica de dióxido de carbono em tubos capilares adiabáticos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.De acordo com o relatório publicado pelo Intergovernmental Panel on Climate Change em 2007, a atividade industrial é a principal responsável pelo aquecimento do planeta Terra. Nas últimas décadas, a indústria de refrigeração e ar condicionado tem sido pressionada quanto ao uso de fluidos refrigerantes sintéticos através dos protocolos de Montreal e de Kyoto. Soluções de longo prazo têm sido avaliadas, o que inclui o uso de refrigerantes naturais. Neste contexto, o dióxido de carbono (CO2, R-744) ressurgiu como um candidato em potencial, já que é uma substância natural, estável, atóxica, não inflamável, e com potencial de aquecimento global relativamente baixo. Embora existam vários exemplos de sistemas comerciais de refrigeração a base de CO2 que empregam tubos capilares como dispositivo de expansão, pouco tem sido estudado a esse respeito. Para preencher essa lacuna, o presente trabalho se propõe a caracterizar o escoamento transcrítico de R-744 através de tubos capilares adiabáticos. Para tanto, uma bancada experimental foi especialmente projetada e construída. Os ensaios experimentais foram planejados estatisticamente com o objetivo de extrair o máximo de informações de um número mínimo de experimentos. Dois modelos, um diferencial e outro algébrico, foram também desenvolvidos para simular o escoamento de CO2 em tubos capilares adiabáticos. No primeiro, as equações da conservação da massa, da energia e da quantidade de movimento foram resolvidas numericamente ao longo do escoamento empregando-se um procedimento iterativo de cálculo para estimar a vazão mássica de refrigerante. No segundo, a equação do movimento foi integrada analiticamente ao longo de uma linha isentálpica, dando origem a uma equação algébrica para computar a vazão mássica de CO2. Os dois modelos foram validados contra dados experimentais, mostrando-se capazes de prever mais de 90% dos pontos experimentais com erros na faixa de ±10%. Uma análise de sensibilidade explorando os efeitos das condições geométricas e de operação sobre a vazão mássica de CO2 foi também realizada

Thermal-Hydraulic Optimization of Fan-Supplied Tube-Fin Evaporators for Frosting Conditions Aiming at Minimum Energy Consumption

This work is aimed at the optimal design (i.e. number of transversal and longitudinal tube rows, number of fins) of fan-supplied tube-fin evaporators for light commercial refrigeration applications operating under frosting conditions. Quasi-steady-state algebraic models were put forward for the refrigeration cycle and its components for computing not only the cooling capacity depletion due to the evaporator frosting over time, but also the changes experienced by the evaporating temperature and its effect on the compressor power. Transient, unsteady-state algebraic models were also advanced to account for the temperature and humidity variations inside the refrigerated compartment, and so the compressor runtime. The optimization exercise aiming at system-level energy consumption minimization revealed that, when the evaporator volume and width are held constrained, the lowest energy consumption was achieved for evaporators with evaporators with (3x6), (4x4) and (6x3) (transversal ´ longitudinal tubes), suggesting that the geometry is robust regarding the evaporator aspect ratio for fan-constrained conditions

Análise dos efeitos da roteirização de veículos sobre a performance térmica de produtos da cadeia do frio/Analysis of vehicle routing effects on the thermal performance of the cold supply chain products

No intuito de preservar a qualidade de produtos que requerem controle térmico desenvolvem-se métodos e estudos sobre a Cadeia do Frio, a qual é responsável pela cadeia logística do produto, desde sua produção, armazenamento até a distribuição física ao consumidor final. Neste contexto, este relatório busca compreender o comportamento da variação de temperatura de cargas refrigeradas durante sua distribuição física e para isso, propondo um modelo matemático e validando-o experimentalmente, de modo a analisar os comportamentos de variação térmica do ar durante a entrega de produtos, considerando os processos de carregamento, deslocamento e descarregamento dos mesmos. Com os resultados obtidos espera-se propor uma ferramenta de simulação que seja capaz de planejar rotas de distribuição física de produtos refrigerados, tornando mais eficiente todo o processo logístico, reduzindo o ganho indesejado de temperatura interna do veículo e do produto