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Bolsa de Produtividade Relatório – Período: fevereiro/2014 a fevereiro/2017

CARACTERIZAÇÃO DO PROJETO

PROCESSO Nº: 308074/2013-0 Modalidade/Nível: PQ-2 TÍTULO: Ebulição e condensação de refrigerantes em micro-canais: caracterização teórico-experimental

PESQUISADORA: Profa. Jacqueline Biancon Copetti

INSTITUIÇÃO: Universidade do Vale do Rio dos Sinos – Unisinos Escola Politécnica - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

DESCRIÇÃO DO PROJETO

RESUMO

Este projeto propôs o estudo experimental de caracterização da ebulição e

condensação de refrigerantes em microcanais com a análise dos efeitos do fluxo de calor, vazão e temperatura de saturação, imagens dos padrões de escoamento e análise de sinais com sensor óptico, caracterizando a transferência de calor e a perda de carga, fluxo de calor crítico, fração de vazio e os padrões de escoamento. Além disso, testar e comparar o comportamento de diferentes fluidos refrigerantes como R134a, os hidrocarbonetos (HC), isobutano (R600a), propano (R290), propileno e também o HFO-R1234yf. Estudos teóricos atestam sobre as vantagens do uso dos HCs como refrigerantes, mas ainda são poucos os trabalhos experimentais realizados neste sentido. Além disso, a geometria de micro canais possibilita diminuir a carga de refrigerante, o que é importante para o uso seguro dos HCs.

Um amplo estudo experimental vem sendo realizado em bancadas de ensaios especialmente construídas com condições de aquecimento e resfriamento controladas e dados das principais variáveis operacionais são registrados durante cada experimento, assim como imagens, construindo um extenso banco de dados de processos bifásicos. A análise dos dados, associada ao estudo teórico dos mecanismos físicos, tem permitido a caracterização do comportamento da transferência de calor na ebulição, no escoamento bifásico e até nas aplicações de refrigeração em sistemas compactos. Também analisar correlações para o cálculo do coeficiente de transferência de calor e da perda de carga e propor modificações, que servirão para projetos e otimização de dispositivos, evaporadores e condensadores de

microcanais. Assim, está proposta de investigação está de acordo com a tendência atual de buscar

soluções tecnológicas extremamente compactas e eficazes para a troca térmica e que se apliquem, por exemplo, a sistemas de resfriamento de dispositivos eletrônicos e microprocessadores, onde há necessidade de dissipar elevados fluxos de calor para garantir o desempenho térmico e a confiabilidade da operação dos mesmos, ar condicionado e bombas de calor, entre outras aplicações de pequeno porte.

OBJETIVOS

Realizar uma ampla investigação experimental dos processos de mudança de fase em

microcanais e estruturas de multi-microcanais para caracterizar a transferência de calor, a perda de pressão e os padrões de escoamento para diferentes refrigerantes e condições de fluxo de calor, vazão e temperatura de saturação. Objetivos específicos:

- Modificar a bancada de testes de ebulição existente de um único canal para realizar experimentos com multi-microcanais em condições de temperatura, pressão e fluxo de calor que representem as aplicações de escala reduzida (microprocessadores, AC automotivo, etc.);

- Ajustar a bancada de testes: estabelecer as condições operacionais e o fluxo de calor; trabalhar no controle e automação da bancada e condições operacionais, para diminuir as instabilidades térmicas dos experimentos;

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- Propor uma técnica para os testes de condensação em multi-microcanais, que permitem a mediação direta das principais variáveis para caracterização da transferência de calor e perda de pressão, projetar e montar a seção de testes e a bancada de condensação;

- Realizar testes com diferentes refrigerantes, incluindo os HCs e o R1234yf, para caracterizar o comportamento térmico e hidráulico dos mesmos em aplicações mais compactas;

- Relacionar os dados experimentais para determinação do coeficiente de transferência de calor convectivo no processo de mudança de fase, para diferentes condições de fluxo de calor, vazão e temperatura de saturação;

- Identificar os padrões de escoamento para as condições analisadas relacionando a visualização do escoamento com medidas de fração de vazio. Gerar mapas de padrões de escoamento, auxiliando no desenvolvimento das correlações para transferência de calor;

- Dispor e disponibilizar uma base de dados para ebulição e condensação composta de valores de coeficientes de transferência de calor e perda de pressão como função dos parâmetros geométricos e operacionais;

- Propor correlações para transferência de calor, fator de atrito e perda de pressão e disponibilizá-las como ferramentas de cálculo para projetos de micro evaporadores e condensadores.

TRABALHOS DE PESQUISA REALIZADOS

O projeto de pesquisa desenvolvido pelo pesquisador e alunos é de base experimental e foi

desenvolvido em bancadas de teste no Laboratório de Estudos Térmicos e Fluido Dinâmicos (LETEF), que faz parte da infraestrutura do PPPGEM da Unisinos.

A seguir são citados os estudos realizados dentro dos objetivos propostos e alguns dos principais resultados encontrados.

1. Estudo teórico-experimental da Ebulição em Microcanais Este estudo compreende os principais objetivos propostos. Neste período foi

modificada uma bancada de teste existente no Laboratório de Estudos Térmicos e Fluido Dinâmicos (LETEF) para incluir dois circuitos de teste de ebulição para testar mini e micro tubos e sistemas multi canais.

Foram realizados trabalhos de investigação com os refrigerantes isobutano (HC R- 600a), propano (HC R-290) e o propileno (HC R-1270). Estes refrigerantes vêm surgindo como alternativas para sistemas compactos de refrigeração e Ar Condicionado (AC), na refrigeração comercial como fluidos indiretos, apresentam vantagens com relação às caraterísticas ambientais (nulo ODP e baixo GWP) e excelentes propriedades termodinâmicas e de transporte. Foram utilizados como seções de testes mini e micro tubos e tubo de multi micro canais paralelos. A influência de diferentes condições operacionais foi considerada, foram realizados testes para faixas de fluxos de calor, vazões, pressão-temperatura e títulos de vapor.

Trabalhar com microcanais envolve novos desafios não tratados pelos canais convencionais. Sua microescala torna as forças de atrito e tensão superficial mais importantes do que a força gravitacional, exatamente o oposto do que se espera em canais convencionais. A forma da interface e a distribuição das fases dentro de um canal distinguem um regime de escoamento de duas fases. Ao entrar no canal, o fluido sofre a ação de forças viscosas, tensão superficial e força gravitacional, levando a uma configuração específica, ou padrão de escoamento, durante a mudança de fase. Os padrões são responsáveis por variações significativas nas taxas de transferência de momento, energia e/ou massa para o fluido bifásico que escoa no canal, alterando a transferência de calor e a queda de pressão na ebulição e condensação. Além disso, é possível prever o coeficiente de transferência de calor e a queda de pressão usando vários modelos matemáticos para cada padrão de escoamento em um fluxo de duas fases. Aí reside a importância de estudá-la.

Para realizar este estudo experimental equipamentos e instrumentação de grande precisão foram adquiridos em grande parte com recursos do Projeto CNPq Casadinho/Procad (nº 552687/2011-1: 2012-2017), que tinha por objetivo a melhoria do PPGEM tanto de infraestrutura para pesquisa, como da formação e produção científica, contando com a colaboração e parceria do programa consolidado da UFSC, o PosMec.

Nas Figs. 1 e 2, se apresentam esquema e fotos da bancada de teste, respectivamente.

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Figura 1. Esquema da bancada de testes de ebulição com dois circuitos em paralelo: a) seção de testes de mini ou micro tubo horizontal; b) seção de testes de tubo multimicro canais.

Figura 2 – Fotos da Bancada de testes de ebulição em mini e micro tubos e tubos multi micro canais e detalhes das seções de visualização.

C1

C2

C1 C2

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No laboratório foram desenvolvidos os projetos das seções de teste, conexões, e principalmente da seção de visualização do escoamento em tubo de multicanais. Para isto estudos foram realizados para que os desenhos minimizassem a má distribuição de fluxo.

Abaixo se apresentam alguns resultados encontrados para os refrigerantes hidrocarbonetos, isobutano e propano, e diferentes condições operacionais (fluxo de calor e fluxo de massa) com relação ao comportamento do coeficiente de transferência de calor, h, em função do título de vapor (Fig. 3) e também da perda de pressão por atrito (Fig. 4). Figura 3 – Comportamento do coeficiente de transferência de calor (a) e da perda de pressão (b) em função do título de vapor para o isobutano (R600a) durante a ebulição em tubo de multicanais. Figura 4 – Comportamento do coeficiente de transferência de calor (a) e da perda de pressão (b) em função do título de vapor para diferentes vazões e fluxo de calor de 10kW/m² para o propano (R290) durante a ebulição em tubo de multicanais. Se pode observar através das curvas experimentais o comportamento diferente em relação ao fluido, com o propano se alcançam maiores coeficientes de transferência de calor com menores perdas de pressão para as mesmas condições. E também a importante influência tanto do fluxo de calor, como do fluxo de massa.

Na Fig. 5 se faz uma comparação do coeficiente de transferência de calor para os dois refrigerantes em ebulição através de um micro tubo de 1mm de diâmetro e na Fig. 6 com relação ao gradiente de pressão.

b)

a)

b)

a)

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a) Isobutano – R600a Figura 5 – Comportamento do coeficiente de transferência de calor para o isobutano (a) e o propano (b) em função do título de vapor para diferentes fluxos de calor e fluxo de massa de 480 kg/m²s durante a ebulição em um tubo horizontal de 1 mm de DI. Figura 6 – Comportamento do gradiente de pressão por atrito do isobutano (a) e o propano (b) em função do título de vapor para diferentes fluxos de massa, G, durante a ebulição em um tubo horizontal de 1mm de DI.

Quanto aos padrões de escoamento, a Fig. 7a apresenta imagens dos padrões da ebulição no tubo de multicanais, e na Fig. 7b através do micro tubo. Com multi canais é importante verificar a questão da má distribuição de fluxo e também de calor, que resulta em diferentes padrões nos diferentes canais. Da análise dos padrões foram construídos mapas de padrões de acordo com modelos propostos na bibliografia para as geometrias reduzidas. Foram verificados para os diferentes fluidos e condições operacionais. Os mapas auxiliam a compreensão dos fenômenos envolvidos e o ajuste de modelos de transferência de calor, considerando padrões em específico. No entanto, a pesquisa continua para ajustar e buscar um mapa que possa representar o comportamento de diferentes fluidos e geometrias de mini e micro canais.

b) Propano – R290

a) Isobutano – R600a

a)

b)

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a)

bolhas dispersas

bolhas alongadas - pistões

slug

agitado

anular b) Figura 7 – Caracterização dos padrões de escoamento a) tubo multi micro canais e b) micro tubo de 1 mm de diâmetro.

Para a análise mais ampla dos padrões de escoamento, foi projetado e desenvolvido um sensor óptico, que foi ajustado à seção de visualização, tubo em vidro, do circuito do microtubo horizontal, conforme Fig. 8. O sensor é não invasivo, assim não modifica o escoamento e é usado em conjunto com uma câmera de alta velocidade. O objetivo foi analisar as frequências características de cada padrão de escoamento.

a) b) Figura 8 – Sensor óptico (a); Sensor na seção de visualização do micro canal horizontal.

Outro estudo associado que iniciou em 2016 e está em andamento, foi a análise do efeito de molhabilidade através de análise das imagens dos padrões de escoamento durante a ebulição no tubo de multicanais. Foram avaliados e comparados o tubo padrão em alumínio 3003 e o mesmo tubo, mas com um revestimento em teflon. Foram realizadas imagens com as duas seções para diferentes condições de fluxo de calor, fluxo de massa e título de vapor. As imagens foram tratadas e se está realizando inicialmente uma análise comparativa dos ângulos de contato, conforme Fig. 9. Através deste estudo, pode-se verificar a influência de um revestimento no fluxo crítico, por exemplo.

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Figura 9 – Caracterização dos ângulos de contato de (a) tubo multicanais substrato de alumínio; (b) tubo multicanais substrato teflon para ebulição do isobutano a q”=1626kW/m² e G=32kg/m²s

Nesta pesquisa estiveram envolvidos no período (2014-2016) 4 alunos de mestrado e 1

aluno de doutorado em co-orientação com o PPGEM – UFSC. Também auxiliaram nos experimentos em bancada 6 alunos de IC.

Resultados completos e análise detalhada dos estudos que estão sendo desenvolvidos podem ser encontrados nos artigos científicos produzidos.

Os artigos foram publicados em periódicos indexados e também publicados (completos) e apresentados em eventos nacionais e internacionais, com participação dos alunos, conforme listados abaixo. Em periódicos indexados: - Oliveira, J. D., Copetti, J. B., Dias, C.I., Macagnan, M.H., Experimental analysis of pressure drop in single and two phase in mini channels. Engenharia Térmica. Vol.13. p. 59-64, 2014. - Copetti, J.B., Beckerle, B.S., Macagnan, M.H,, Passos, J.C., Oliveira, J.D., Flow boiling heat transfer characteristics of R600a in multiport minichannel. Heat Transfer Engineering. v. 38, p. 1-34, 2016. - Oliveira, J.D., Copetti, J.B., Passos, J.C. An experimental investigation on flow boiling heat transfer of R-600a in a horizontal small tube. International Journal of Refrigeration, v. 72, p. 97-110, 2016. - Oliveira, J.D., Copetti, J.B., Passos, J.C. On flow boiling pressure drop of R-290 and R-600a in a horizontal small tube. International Journal of Refrigeration. Em revisão. 2017. Em eventos: - Beckerle, B.S., Copetti, J.B., Passos, J.C., Kreusch, R., Experimental study on flow boiling in multiport tube with R-600a. 15th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering - Encit 2014, Belém, PA, 2014 - Beckerle, B.S., Copetti, J.B., Estudo experimental da transferência de calor na ebulição do R-600a em mini canais paralelos. Seminário de Pós-Graduação – Inovamundi. Novo Hamburgo, RS, 2014. - Copetti, J.B., Zinani, F. Oliveira, J.D., Shaefer, F., Ayres, F.G.B., Boiling heat transfer in mini tube: a discussion of two phase heat transfer coefficient behavior, flow patterns and heat transfer correlations for two refrigerants, IV Journeys in Multiphase Flows, JEM 2015, Campinas, SP, 2015. - Oliveira, J.D., Zanette, G.P., Coan, P.W., Passos, J.C., Copetti, J.B., Uncertainty analysis during vapor flow inside MPE microchannels. 23rd International Congress of Mechanical Engineering - Cobem2015, Rio de Janeiro. - Copetti. J.B., Beckerle, B.S., Passos, J.C., Oliveira, J.D., Flow boiling characteristics of R600a in multiport minichannel, 9th International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer, Boulder - Colorado – USA, 2015. - Copetti, J.B., Macagnan, M.H., Beckerle, B.S., Experimental investigation on flow boiling pressure drop of R600a in multiport minichannel tube, 24th IIR International Congress of Refrigeration, ICR2015, Yokohama, Japão, 2015. - Oliveira, J.D., Copetti, J.B., Passos, J.C, Macagnan, M.H. Flow boiling experiments using R-600a (isobutane) in a horizontal smooth minichannel (paper ID:1045) Resumo aprovado e artigo

a)

b)

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aceito para apresentação oral na 12th IIR Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference. Edinburgh, Scotland, 2016. - Silva, P. F., Copetti, J. B., Oliveira, J.D., Flow boiling heat transfer of propane in MPE tube. Jornadas de Escoamentos Multifásicos - Jem2017, São Paulo. - Silveira, L. E. S., Copetti, J. B., Oliveira, J.D., Silva, P. F., Experimental investigation of flow patterns during boiling of R290 e R600a in a small channel. Jornadas de Escoamentos Multifásicos - JEM 2017, São Paulo. - Oliveira, J.D., Passos, J.C., Copetti, J.B., Van der Geld C.W.M. Experimental analysis of flow boiling heat transfer of propane in 1.0 mm tube. Aceito para apresentação oral no 9th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Foz do Iguaçu, Brazil, June 11-15, 2017. (paper RS 101040) E foram envidos resumos estendidos para o próximo Cobem (3 a 8/12/2017 – Curitiba): - Silveira, L.E.S., Copetti, J.B., Oliveira, J.D. Analysis of influence of channel diameter on boiling of isobutane (R-600a). Cobem 2017 - 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering. Dezembro 2017. Curitiba – PR. - Silva, P., Patzlaff, J., Copetti, J.B., Oliveira, J.D. Analysis of pressure drop on boiling of propane in MPE tube. Cobem 2017 - 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering. Dezembro 2017. Curitiba – PR.

2.Pesquisa em caracterização do escoamento bifásico ar – água Paralelamente, ao estudo do escoamento bifásico com mudança de fase, vem se

pesquisando experimentalmente o escoamento bifásico ar-água em mini canal. Para caracterização deste escoamento foram desenvolvidos sensores ópticos específicos para caracterização de padrões de escoamento e da fração de vazio, importante parâmetro para modelos de escoamento em duas fases.

Inicialmente, foi desenvolvido um sensor óptico, por ser uma técnica não intrusiva e não invasiva que se adapta externamente a um tubo de vidro de 2,6 mm de DI, sem interferir no escoamento. Foi montada uma bancada de teste, também no LETEF, conforme o esquema da Fig. 10. Além disso, foi desenvolvida uma metodologia experimental para medição de fração de vazio baseada na análise do sinal do sensor, conforme padrão de escoamento, e no processamento de imagens. A técnica foi validada e uma curva de calibração para medidas de fração de vazio foi encontrada.

Figura 10. Esquema da bancada de escoamento bifásico (a), sensor óptico desenvolvido (b), comparação entre imagem do padrão de escoamento e o sinal do sensor (c) e curva de calibração para fração de vazio (d).

Sensor óptico

b)

c)

d)

a)

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Este sensor foi desenvolvido no laboratório, com custo bastante baixo e resultados se mostraram bastante precisos. Atualmente, está sendo testado um sensor com 3 conjuntos LED-LDR, que permitem caracterizar velocidade de bolhas, além de área e volume da bolha. Também iremos comparar a resposta com sensores comerciais de IV e Laser.

Nesta pesquisa estiveram envolvidos no período (2014-2016) 2 alunos de mestrado e 4 alunos de IC.

Dos resultados da pesquisa foi produzido um artigo publicado e apresentado em evento nacional, com participação dos alunos: -Oliveira, M.L., Copetti, J.B., Hoff, A.G., Freitas, W.X., Caracterização de um escoamento bifásico ar-água em mini tubo com uso de sensor ótico. Congresso Nacional de Engenharia Mecânica – Conem2014, Uberlândia, MG, 2014. E foi envido um resumo estendido para o próximo Cobem: -Figueredo, M., Copetti, J.B., Characterization of two-phase flow through optical sensors. Cobem 2017 - 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering. Dezembro 2017. Curitiba – PR.

3.Pesquisa em tecnologias para dissipação de calor aplicadas a sistemas eletrônicos e

compactos.

Atualmente, vem se estudando diferentes tecnologias para dissipação de calor em sistemas

compactos, principalmente com aplicação a circuitos eletrônicos. Assim, paralelamente aos estudos da transferência com escoamento bifásico, com mudança de fase, se realizaram pesquisas com escoamento líquido monofásico através de microcanais e resfriamento por jatos sintéticos.

Resfriamento com líquido em micro trocador de calor

Esta pesquisa segue na linha de estudos de transferência de calor e escoamento em microcanais, mas utilizando o escoamento monofásico líquido com água. Neste estudo foram dois objetivos, por um lado analisar diferentes métodos de fabricação de microcanais e logo verificar o desempenho do micro trocador para transferência de calor.

Foi desenvolvido um micro trocador com uso usinagem CNC com microfresa em base de alumínio com 8 microcanais retangulares e plenuns para entrada e saída do fluido, conforme mostrado na Fig. 11, junto a bancada de testes. O aquecimento simulou a potência gerada por um chip e foram analisados a distribuição de temperatura, o regime de escoamento e coeficiente de transferência de calor, conforme alguns resultados apresentados na Fig. 12.

a) b)

Figura 11. Bancada de testes com micro trocador de calor e estudos com escoamento monofásico líquido para dissipação de calor (a) e detalhes do micro trocador de calor (b).

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Figura 12. Distribuição de temperatura na superfície ao longo do micro trocador de calor (a) e variação do coeficiente de transferência de calor em função do número de Reynolds do escoamento líquido.

Um outro dissipador foi desenvolvido, onde os microcanais foram construídos em uma

fita termo condutiva adesiva dupla face e uma impressora de corte e os mesmos são pegados a uma base de alumínio. O fechamento superior é feito com acrílico que permite registrar o escoamento. Também foram realizados testes em bancada experimental (Fig. 13) para diferentes condições de aquecimento e vazões de água, verificando o comportamento da distribuição de temperatura, transferência de calor e escoamento.

Figura 13. Bancada de testes com dissipador de calor de microcanais em fita termo condutiva de calor.

Nesta pesquisa estiveram envolvidos no período (2015-2016) 1 aluno de mestrado e 1

aluna em trabalho de conclusão de curso. Os resultados da pesquisa originaram os trabalhos: - Silva, J.S., Flores, E, Copetti, J.B., Análise numérica e experimental da transferência de calor em um dissipador de microcanais e água como fluido refrigerante, 5° Seminário de Inovação e Tecnologia do IFSul, Inovtec, Sapucaia do Sul, RS, 2016. - Gomes, B.E, Estudo experimental e numérico de um microtrocador de calor. Trabalho de conclusão de curso. Escola Politécnica – Engenharia Mecânica, Unisinos, 2016. E foi envido um resumo estendido para o próximo Congresso Brasileiro de Eng. Mecânica - Cobem:

a)

b)

Micro-trocador

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- Gomes, B.E., Copetti, J.B., Experimental and numerical study of a micro heat exchanger. Cobem 2017 - 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering. Dezembro 2017. Curitiba – PR. Resfriamento por jatos sintéticos

Outra pesquisa que se realiza sobre tecnologias de dissipação de calor é com uso de jatos sintéticos. É ainda uma tecnologia em desenvolvimento, mas os dispositivos são considerados uma alternativa aos sistemas de resfriamento a ar devido a sua habilidade de aumentar a turbulência.

Neste trabalho de pesquisa um atuador de jato sintético foi construído com um autofalante (diafragma oscilante) e placas de acrílico para formar uma cavidade e um orifício de jato retangular. Foram testadas diferentes geometrias de orifício retangular e verificadas as velocidades alcançadas e o resfriamento. Na Fig. 14 se apresenta um esquema da bancada, onde se vê o gerador de jatos sintéticos. A velocidade média do jato para a frequência ideal e diferentes configurações de orifício é apresentada no gráfico da Fig. 15.

Figura 14. Bancada de testes com gerador de jatos sintéticos para resfriamento. Figura 15. Velocidade média do jato a 161 hz e diferentes configurações de orifício.

Como continuação deste trabalho, um segundo trabalho analisa o jato em uma configuração tangencial em canal de escoamento, conforme esquema Fig. 16. O jato sintético gerado resfria um elemento de aquecimento que simula o funcionamento de um dispositivo eletrônico, posicionado tangencialmente em diversas posições em relação à saída do jato. A Fig. 17 apresenta resultados da velocidade média do jato em relação às posições e a temperatura mínima alcançada no resfriamento.

L=20 mm, W=5, mm, D=8 mm

L=10 mm, W=2.5, mm, D=4 mm

L=12 mm, W=6, mm, D=8 mm

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Figura 16. Bancada de testes com gerador de jatos sintéticos em configura tangencial no canal de escoamento.

Figura 17. Velocidade média do jato ao longo do duto de escoamento, para diferentes distâncias a partir do orifício de saída do jato, em função da frequência (a) e temperatura mínima atingida para uma potência de 5 W com frequência e posição do elemento de aquecimento em relação ao orifício de saída do jato.

Nesta pesquisa estiveram envolvidos no período (2014-2016) 2 alunos de mestrado sob co-orientação. Os resultados da pesquisa originaram os trabalhos: -Trisch, M., Lee, C.Y.Y., Copetti, J.B., Electronic cooling by synthetic jets. 15th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering – Encit2014, Belém-PA, 2014 Em periódico indexado: - Lee, C.Y.Y., Woyciekoski, M.L., Copetti, J.B. Experimental Study of Synthetic Jets with Rectangular Orifice for Electronic Cooling. Experimental Thermal and Fluid Science, v. 78, p. 242-248, 2016.

4.Pesquisa em sistemas de refrigeração

A pesquisa em sistemas de refrigeração complementa a pesquisa básica. São estudos

experimentais aplicados a sistemas e trocadores de calor, que utilizam configurações de microcanais, como os evaporadores e condensadores de ar condicionado automotivo. Também seguimos aqui com a investigação sobre fluidos refrigerantes e alternativas para substituição dos refrigerantes halogenados.

Em sistemas de AC automotivo foram realizados estudos em bancada de testes (Fig. 18), que é composta por túnel de vento para o condensador e calorímetro para o evaporador, para avaliar os efeitos da carga de refrigerante, rotação do motor e variações nas temperaturas de entrada do ar nos diferentes parâmetros de desempenho de um ciclo de compressão a vapor, como COP e capacidade de refrigeração, entre outros. Estes estudos foram realizados inicialmente com o refrigerante R-134a usado convencionalmente nos sistemas de AC. Logo foi avaliado o comportamento do sistema com o refrigerante HFO R-1234yf em substituição direta, ou seja, sem alterações nos componentes do sistema, para AC de máquinas agrícolas. Neste caso, também foi estudada a carga ótima de refrigerante no sistema. Este projeto contou com

a)

b)

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as parcerias das empresas AGCO do Brasil Máquinas e Equipamentos Agrícolas Ltda, Dupont - refrigerantes, Refrijet – AC automotivo.

Figura 18. Bancada de teste para estudos de AC automotivo, condensadores e evaporador. Nesta pesquisa estiveram envolvidos no período (2014-2016) 2 alunos de mestrado,

alunos de IC e alunos em trabalho de conclusão de curso. Os resultados da pesquisa originaram os trabalhos: - Macagnan, M.H., Copetti, J.B., Herter, M., Análise do efeito da carga de refrigerante e das temperaturas do ar na entrada do evaporador e do condensador no desempenho de um sistema de ar condicionado automotivo, 9º Congresso Internacional de Ar Condicionado, Refrigeração, Aquecimento e Ventilação, Porto Alegre, RS, 2014. - Macagnan, M.H., Copetti, J.B., Influence of refrigerant charge and air temperatures on the performance of an automotive air conditioning system, 24th IIR International Congress of Refrigeration, ICR2015, Yokohama, Japão, 2015. - Noetzold, J.; Copetti, J.B. Macagnan, M.H., Comparison of the optimal refrigerant charge with R134a and R1234yf on the automotive air conditioning off-road agricultural vehicles. 10° Congresso Internacional de Ar Condicionado, Refrigeração, Aquecimento e Ventilação, Mercofrio 2016, Porto Alegre - RS. - Macagnan, M. H.; Mathias, J. D.; Oliveira, J.D. ; Baldin, O. W.; Copetti, J. B. ; Wander, P. R. Análise de desempenho de um evaporador inundado em função do número de recirculação. 10° Congresso Internacional de Ar Condicionado, Refrigeração, Aquecimento e Ventilação, Mercofrio 2016, Porto Alegre - RS. E foi envido um resumo estendido para o próximo Cobem: - Gonçalves, A., Copetti, J.B., Macagnan, M.H., Noetzold, J. Experimental analysis of an air conditioning system with HFO R1234yf and the influence of air inlet temperatures. Cobem 2017 - 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering. Novembro 2017. Curitiba – PR.

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AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS

EM RELAÇÃO AOS OBJETIVOS PROPOSTOS

De forma específica os resultados alcançados foram: - Caracterização do comportamento térmico e hidráulico de refrigerantes em escoamento através de micro canais (tubo e multicanais) em processos de mudança de fase; - Criação de um banco de dados relacionando o coeficiente de transferência de calor convectivo e perda de carga com parâmetros operacionais (fluxo de calor, fluxo de massa, temperatura de saturação, título de vapor) e geométricos para diferentes refrigerantes. Parte destes dados foram disponibilizados para os pesquisadores Sung-Min Kim e Issam Mudawar do Boiling and Two-Phase Flow Laboratory (BTPFL) - Purdue University (USA) para estudos comparativos que deram origem ao artigo “Universal approach to predicting saturated flow boiling heat transfer in mini/micro-channels – Part II. Two-phase heat transfer coefficient”, publicado na International Journal of Heat and Mass Transfer. Também foram disponibilizados dados do HC R600a para o grupo de pesquisa do Laboratório de Engenharia Térmica e Fluidos da USP – São Carlos, para estudos comparativos; - Caracterização dos padrões de escoamento, com o uso de sensor óptico, avaliação de mapas de padrões e comportamento térmico de refrigerantes, incluindo os hidrocarbonetos em tubos e canais de diâmetro reduzido; - Estabelecimento de correlações para transferência de calor e perda de carga para uma faixa de operação através da análise e avaliação de modelos propostos na bibliografia com o banco de dados experimentais obtido, caracterizando as incertezas de aplicação destes modelos ao projeto de sistemas compactos ou equipamentos que usam microcanais; - Avaliação de outras tecnologias de dissipação de calor, como desenvolvimento de microtrocador com uso de escoamento líquido e a caraterização de jatos sintéticos para resfriamento. Nesta pesquisa foi realizada uma parceria com o Instituto de semicondutores da Unisinos – ITTChip, que tem proporcionado infraestrutura de laboratório e equipamentos para desenvolvimento de dispositivos de microcanais para aplicações de resfriamento eletrônico; - Desenvolvimento de sensor óptico e metodologia para caracterização de escoamentos bifásicos, ar-água, em canais de pequeno diâmetro; - Desenvolvimento de colaboração com o LabBoiling do PPGEM da UFSC para pesquisa conjunta em ebulição e condensação, com alunos em co-orientação. E também colaboração dos estudos da influência do revestimento das superfícies no processo de ebulição, com parceria com pesquisador do Institut Lumière Matière (ILM), Université Lyon, França.

EM RELAÇÃO À PRODUÇÃO CIENTÍFICA NO PERÍODO

Artigos publicados em periódicos nacionais e internacionais indexados:4 Trabalhos completos em congressos nacionais: 12 Trabalhos completos em congressos internacionais: 5 Produtos: sensor óptico, micro trocador de calor Parcerias com empresas: AGCO, Dupont, Refrijet

EM RELAÇÃO À PARTICIPAÇÃO EM EVENTOS CIENTÍFICOS

A bolsa PQ facilitou a participação nos principais congressos nacionais da área com trabalhos apresentados e publicados com a participação dos alunos, como: Cobem – 23th ABCM International Congress of Mechanical Engineering, 2015. Conem – VIII e IX Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 2014 e 2016. Encit – 15th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, 2014.

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Jem - Jornada de Escoamentos Multifásicos (EBEM – Escola Brasileira de Escoamentos Multifásicos + EBECEM – Encontro Brasileiro sobre Ebulição, Condensação e Escoamento Multifásico), 2015 e 2017. Mercofrio – 9º e 10° Congresso Internacional de Ar Condicionado, Refrigeração, Aquecimento e Ventilação, Mercofrio 2014 e 2016. E internacionais: Boiling- 9th International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer, Boulder - Colorado – USA, 2015. ICR - 24th IIR International Congress of Refrigeration, ICR2015, Yokohama, Japão, 2015.

EM RELAÇÃO À FORMAÇÃO E CAPACITAÇÃO DE RECURSOS HUMANOS

Orientação e co-orientação de alunos de mestrado concluídas no período e relacionados ao projeto do pesquisador - Bruno de Sá Beckerle. Estudo da transferência de calor e queda de pressão na ebulição do r-600a em mini canais paralelos. 2015. Orientador de mestrado - Marino Trish. Resfriamento de componentes eletrônicos por jatos sintéticos tangenciais, 2015. Co-orientador de mestrado. - Ronaldo Bueno de Souza. Estudo de um sistema de refrigeração por absorção com energia solar térmica para locais isolados. 2015. Orientador de mestrado. - Jair Carlos Müller. Estudo geométrico de um refletor Fresnel linear para produção de energia térmica. 2016. Co-orientador de mestrado. - Juliano Noetzold. Comparação do desempenho do R-1234yf em substituição direta do R-134a em ar condicionado automotivo para máquinas agrícolas. 2016. Orientador de mestrado. - Patricia Scalco. Análise óptica e térmica do receptor de um sistema de concentradores fresnel lineares. 2016. Orientador de mestrado. - Co-orientação do aluno de doutorado Jeferson Diehl de Oliveira junto com a orientação do Prof. Julio Cesar Passos da UFSC. O aluno está realizando todo o trabalho experimental na bancada de ebulição do LETEF – Unisinos. Orientação e co-orientação de alunos de mestrado em andamento e relacionados aos temas de pesquisa do projeto - Jonatan Silva da Silva. Estudo experimental da transferência de calor em um dissipador de microcanais e água como fluido refrigerante. (2014-) - Priscila Forgiarini da Silva. Estudo teórico-experimental da ebulição de hidrocarbonetos em tubo de multi mini canais. (2015-) - Lucas Ezequias Silveira. Ebulição de HC em mini e micro tubos: efeito do fluido, do diâmetro e da temperatura de saturação sobre a transferência de calor e perda de pressão. (2016- - Clemar Trentin Oliveira. Otimização de um trocador de calor casco e tubo utilizando os conceitos de projeto de experimentos (DOE). (2016-) - Melissa Grahl Figueredo. Análise do escoamento bifásico e medidas de fração de vazio com uso de dois sensores ópticos. (2016-) - Bernardo Heberle Bastos. Análise do efeito da geometria de micro canais no desempenho de micro trocador de calor para resfriamento a líquido. (2016-) - Henrique Schardosin Ferreira. Análise teórico experimental do desempenho de um sistema de refrigeração com ejetor operando com fluido sub-crítico. Co-orientação (2016-) Monografias de trabalhos de conclusão de curso de graduação nos temas de pesquisa do projeto Concluídas - Vinícius Naressi Pavanelo. Simulação de um Sistema de refrigeração com energia solar fotovoltaica para uma pousada de Eco-Turismo. Curso de Engenharia Mecânica, 2014. - Antônio Edson Silva Trindade. Análise Experimental de Um Condensador de Micro Canais com Fluxo Paralelo Aplicado a Ar Condicionado Automotivo. Curso de Engenharia Mecânica, 2014. - Lucas Ezequias da Silva Silveira. Estudo experimental da transferência de calor e perda de pressão na ebulição do R600a em um canal de 1mm. Curso de Engenharia Mecânica, 2015.

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- Enzo Schlottfeldt Ocanha. Análise energética e exergética de uma máquina de refrigeração por absorção amônia-água. Curso de Engenharia Mecânica, 2015. - Bruna Evelin Gomes. Estudo experimental e numérico de um microtrocador de calor. Curso de Engenharia Mecânica, 2016. Em andamento tem outros 4 trabalhos relacionados ao tema de pesquisa. Iniciação científica Alunos de Iniciação Científica com projetos concluídos no período 12 e em andamento 4. Identificar os benefícios da realização do projeto para o avanço da área de conhecimento para o grupo de pesquisa e para a(s) instituição(ões) onde foi desenvolvido

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A bolsa PQ propiciou ao pesquisador desenvolver a pesquisa, a participação em eventos para divulgar os resultados da pesquisa e fazer contato com outros pesquisadores de outras universidades e centros de pesquisa para trocas de experiências e colaboração. A partir disto, também é possível verificar como os temas de pesquisa que estão sendo desenvolvidos se inserem no contexto atual de investigação. O fortalecimento e a consolidação da linha de pesquisa do pesquisador de Sistemas Térmicos e Energéticos são verificados no desenvolvimento de pesquisas em áreas estratégicas e inovadoras no país, que vem resultando em trabalhos de dissertação e publicações de qualidade. Também na formação de mestres e engenheiros com experiência na área térmica.

______________________________ Profa. Dra. Jacqueline Biancon Copetti