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  • Avaliao de Rendimentos em Ejectores de Sistemas de Refrigerao com Diferentes Fluidos

    Miguel da Rocha Ferreira

    Dissertao do MIEM

    Orientador: Professor Armando Carlos Figueiredo Coelho de Oliveira

    Orientador: Professor Szabolcs Varga

    Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

    Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

    Julho de 2012

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    Resumo

    A presente dissertao aborda um estudo cientfico dentro do tema da refrigerao por

    compresso a jacto com ejectores. Este tipo de refrigerao apresenta enumeras vantagens em

    relao aos sistemas de refrigerao mais utilizados na actualidade tratando-se de um sistema

    que quase no necessita de manuteno, onde se pode aplicar um vasto leque de fluidos de

    trabalho, e que permite o funcionamento do sistema a partir de energia trmica de baixa

    temperatura em vez de electricidade. As vantagens enunciadas, tornam este sistema aliciante

    sobre os pontos de vista do consumo energtico, financeiro e ambiental pois permite o

    funcionamento de um sistema de arrefecimento a partir de fontes alternativas de energia como

    o reaproveitamento da energia trmica desperdiada e energia renovvel (energia solar ou a

    energia geotrmica). Actualmente existe uma forte componente de investigao sobre o tema

    cujo objctivo elevar o coeficiente de performance do sistema que ainda reduzido quando

    comparado com a maioria dos sistemas utilizados.

    O estudo incide no componente mais critico do ciclo de refrigerao referido, o ejector, pois

    este o elemento fundamental, cuja funo a elevao da presso do fluido proveniente do

    evaporador at presso do condensador, a partir de processos complexos de termodinmica

    e mecnica dos fluidos. Dentro do ejector o escoamento do fluido de trabalho compressivel

    e complexo, cuja compreenso fundamental para o dimensionamento do mesmo.

    Apesar da existencia destes fenmenos complexos, os ejectores so dimensionados recorrendo

    a modelos matemticos simplificados, baseados na teoria do escoamento de gases perfeitos.

    Para contabilizar as irreversibilidades existentes ao longo do ejector utilizam-se eficincias

    (rendimentos) temodinmicas cujos valores so muitas vezes escolhidos de uma forma

    arbitrria. Como objctivo principal do presente trabalho, procurou-se estudar de uma forma

    fundamental, recorrendo a CFD, a influncia do tipo de refrigerante (R142b, R152a e R600a)

    e das condies operacionais (temperatura do gerador e condensador) na estimativa das

    eficincias existentes na literatura.

    Os resultados demonstram que as eficincias dos trs fluidos exibem um comportamento

    semelhante com a variao das temperaturas de funcionamento, mas apresentam valores

    dspares para as mesmas temperaturas de funcionamento como consequncia de possuirem

    diferentes propriedades termodinmicas. Constactou-se que para o mesmo fluido a variao

    da temperatura do gerador influncia o valor da eficincia. Em oposio a alterao da

    temperatura do condensador dentro do regime de fluxo choked no altera significativamente o

    valor das eficincias, com excesso da eficincia do difusor que aumenta medida que se

    eleva a temperatura do condensador.

    Estabelecendo-se uma comparao dos resultados obtidos com os levantados ao longo da

    literatura para vrios fluidos, verifica-se que alguns dos mesmos encontram-se fora dos

    limites estabelecidos pela literatura, no entanto refere-se que a maioria dos valores

    encontrados so arbitrados pelos autores dos artigos.

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    Evaluation of Ejector Efficiencies for Cooling Systems Using Different Working Fluids

    Abstract

    This dissertation addresses a scientific study under the theme of steam jet ejector

    refrigeration. This type of refrigeration presents numerous advantages when compared with

    other cooling systems that are commonly used today, since it almost requires no maintenance,

    it has wide range of working fluids that can be applied, and can be powered from low

    temperature heat instead of electricity. The advantages listed, make this system very

    interesting from the points of view of energy consumption, financial, and environmental

    protection, because it allows the operation of a cooling system from alternative energy

    sources such as reuse of wasted heat energy and renewable energy (solar or geothermal

    energy). Currently there is a strong research about the subject, with the purpose to increase the

    coefficient of performance of the system, since it is still low when compared with most of the

    cooling systems that are used today.

    The study focuses on the most critical component of the mentioned refrigeration cycle, the

    ejector, since it is the core of the system, whose function is to increase the pressure of the

    fluid from the evaporator to the condenser pressure. The compression that was mentioned is

    achieved through a series of complex processes of thermodynamic and mechanical fluids.

    Inside the ejector the flow of the working fluid is compressible and complex, whose

    understanding is crucial for the design of the ejector itself.

    Despite the existence of these complex phenomena, the ejectors are designed using simplified

    mathematical models, based on the theory of ideal gas flow, where efficiencies are used to

    account for the thermodynamic irreversibilitys that exist along the ejector. The values of

    those efficiencies are often chosen in an arbitrary manner. The main purpose of this

    dissertation is to address the true value of these efficiencies, studying the influence of

    different working fluids (R142b, R152a e R600a), and operating conditions (temperature on

    the generator and condenser), using CFD. Another objective is to make a comparison with the

    values obtained and the ones seen on the literature.

    The results show that the efficiencies of the three working fluids, display a similar behavior

    with the variation of the operating conditions, but exhibit different values for the same

    working temperatures as a consequence of having different thermodynamic proprieties. It was

    also concluded that for the same working fluid the variation of the temperature of the

    generator has influence over the value of the efficiency. In contrast, the temperature change of

    the condenser within the choked flow regime does not significantly alter the value of the

    efficiencies, with the exception of the efficiency of the diffuser, which increases as the

    temperature of the condenser is raised.

    Establishing a comparison of the results obtained with the ones raised along the literature for

    various fluids, it is shown that some of them are outside the range of values given by the

    authors. However it is noted that most of the values found are arbitrated by the authors and

    not calculated.

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    Agradecimentos

    Agradeo aos meus orientadores, Professor Armando Oliveira e Professor Szabolcs Varga pela

    oportunidade de desenvolver este estudo como minha tese de mestrado. Com um especial

    agradecimento ao Professor Varga por todo o acompanhamento e disponibilidade concedida ao longo

    desenvolvimento do projecto.

    Queria agradecer minha famlia em especial aos meus pais, av, irmo e namorada por toda

    compreenso e apoio prestado durante o meu desenvolvimento pessoal e profissional.

    Por ltimo gostaria de agradecer a todos os meus amigos, pelo acompanhamento e constante

    motivao ao longo de todo o curso.

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    ndice de Contedos

    1 Introduo ......................................................................................................................................... 1

    1.1 Estado de Arte e Objectivos ..............................................................................................................1

    1.2 Funcionamento do Ciclo de Refrigerao a Jacto com Ejectores .......................................................5

    1.3 Funcionamento do Ejector ................................................................................................................7

    1.4 Performance do Ejector ....................................................................................................................9

    1.5 Seleco de Fluidos de Trabalho .................................................................................................... 13

    1.6 Mtodos de Dimensionamento do Ejector ....................................................................................... 16

    1.7 Estrutura da Tese ............................................................................

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