FELIPE MARQUARDT WALTHER

CONDENSADOR EVAPORATIVO EM ESCALA REDUZIDA: PROJETO, CONSTRUO E ANLISE EXPERIMENTAL

Monografia apresentada ao Departa-mento de Engenharia Mecnica da Es-cola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obteno do diploma de Engenheiro Mecnico.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Smith Schneider

Porto Alegre 2009

Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecnica

CONDENSADOR EVAPORATIVO EM ESCALA REDUZIDA: PROJETO, CONSTRUO E ANLISE EXPERIMENTAL

FELIPE MARQUARDT WALTHER

ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS RE-QUISITOS PARA A OBTENO DO DIPLOMA DE

ENGENHEIRO(A) MECNICO(A) APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

Prof. Walter Jesus Paucar Casas Coordenador do Curso de Engenharia Mecnica

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Dr. Francis H. R. Frana UFRGS / DEMEC

Prof. Dr. Srgio Luiz Frey UFRGS / DEMEC

Prof. Dr. Pedro Barbosa Mello UFRGS / DEMEC

Porto Alegre 2009

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente a minha famlia e principalmente aos meus pais pelo exemplo de vida e pelo o esforo realizado para que esta conquista fosse alcanada,

ao meu orientador, Prof. Dr. Paulo Smith Schneider, por sua dedicao na orientao deste trabalho,

ao Laboratrio de Estudos Trmicos e Aerodinmicos (LETA), em particular ao Tcnico Joo Batista da Rosa,

ao colegas de projeto Ivoni Carlos Acunha Jr. e Eduardo Barbieri, que foram fundamentais para a concluso desta etapa,

aos amigos que eu fiz na universidade e me acompanharam ao longo desta jornada.

possvel voar sem motores, mas no sem conhecimento e habilidade.

Wilbur Wright

WALTHER, F. M. Condensador Evaporativo em escala reduzida: Projeto, Construo e anlise experimental. 2009. 20f. Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenha-ria Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.

RESUMO

Este trabalho apresenta um estudo experimental de um condensador evaporativo em escala reduzida, projetado e construdo em laboratrio, acompanhado de uma bancada para realiza-es de ensaios. O projeto do condensador evaporativo feito por meio de uma anlise di-mensional e utilizado um fator de reduo de 1/4. A bancada experimental composta por um evaporador e um reservatrio de lquido, alm do condensador. O evaporador alimenta-do por gua quente aquecida por uma resistncia eltrica. O fluido refrigerante utilizado o R-22 e ele circula na bancada pelo efeito de termosifo. A construo da bancada experimen-tal baseada na norma ASHRAE 64-1995. A finalidade da anlise determinar a capacidade de rejeio de calor e estudar o efeito da variao de parmetros de funcionamento. Os testes so realizados para uma temperatura de condensao de 30,2 C. Observa-se uma reduo mdia de 13% na capacidade de rejeio de calor do condensador com um aumento da tempe-ratura de bulbo mido do ar de entrada de 16,5 C para 18,5 C. A maior transferncia de ca-lor ocorre com uma razo entre a vazo mssica de ar e de gua aspergida sobre a serpentina prxima de dois. A capacidade do condensador pode ser aumentada com a utilizao de um ventilador que aumente a vazo de ar. Os valores obtidos para o coeficiente de transferncia de calor global oscilou em torno de 400 W/m2.C, valores que esto de acordo com a literatura consultada.

PALAVRAS-CHAVES: Condensador Evaporativo, Refrigerao industrial, Anlise dimen-sional, Escala reduzida.

WALTHER, F. M. Reduced-Scale Evaporative Condenser: Design, Construction and Experimental Analyses. 2009. 20f. Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Enge-nharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.

ABSTRACT

This work presents an experimental study from a reduced-scale evaporative condenser de-signed and built in the laboratory, together with a rig to perform the tests. The evaporative condenser design is made by means of a non-dimensional analysis and is used a reduction scale of 1/4. An evaporator and a liquid reservoir together with the evaporative condenser are the components from the rig. The evaporator is fed with hot water heated by an electrical re-sistance. It is used the R-22 as the refrigerant and it circulates by the thermosiphon effect. The rig construction is based on the standard ASHRAE 64-1995. The purpose of the experimental analyses is to determine the heat rejection capacity and the effects of the operation parameters variation. The tests are made with a condensing temperature of 30,2 C. An average reduction of 13% in the heat rejection capacity is seen with the increase in the air inlet wet-bulb tem-perature, from 16,5 C to 18,5 C. The highest heat rejection occurs for a ratio between the air and sprayed water mass flow close to two. The heat rejection capacity can be increased if a larger fan is used to increase the air flow. The values obtained for the global heat transfer co-efficient were close to 400 W/m2.C, which are consistent with the literature.

KEYWORDS: Evaporative condenser, Industrial refrigeration, Non-dimensional analyses, Reduced-scale

SUMRIO

1. INTRODUO .................................................................................................................... 1 2. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................ 1 3. FUNDAMENTAO TERICA ....................................................................................... 2

3.1. CONDENSADOR EVAPORATIVO .............................................................................. 2

3.2. CLCULO DO CALOR REJEITADO ........................................................................... 4 3.3. CONSIDERAES SOBRE O FLUIDO REFRIGERANTE ........................................ 5

3.4. ANLISE DIMENSIONAL ........................................................................................... 5

4. METODOLOGIA ................................................................................................................. 6

4.1. DESCRIO DA BANCADA EXPERIMENTAL ....................................................... 6 4.2. DESCRIO DO CONDENSADOR EVAPORATIVO ............................................... 8

4.3. INSTRUMENTAO .................................................................................................... 9 4.3.1. Grandezas Medidas ................................................................................................... 9 4.3.2. Incerteza de Medio ................................................................................................ 9 4.3.3. Calibrao ............................................................................................................... 10

4.4. PROCEDIMENTOS DE TESTE .................................................................................. 10

5. RESULTADOS ................................................................................................................... 10

5.1. CALOR REJEITADO PELO CONDENSADOR ......................................................... 10

5.2. VISUALIZAO DO ESCOAMENTO DE AR-GUA ............................................. 14

6. CONCLUSES ................................................................................................................... 14 REFERNCIAS ..................................................................................................................... 16 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ....................................................................................... 16

APNDICES............................................................................................................................17

1

1. INTRODUO

Trocadores de calor, sobretudo condensadores, tm grande importncia em processos trmicos utilizados industrialmente. Dentre os tipos de condensadores mais freqentemente usados encontram-se o resfriado a ar, o resfriado a gua associado a uma torre de refrigerao e o evaporativo. Este ltimo possui diversas vantagens sobre os anteriores para aplicaes de grandes capacidades trmicas que caracterizam os processos industriais. Eles so mais com-pactos, podem operar em temperaturas de condensao inferior e tm menor custo energtico de operao.

Condensadores evaporativos so equipamentos largamente utilizados em instalaes de refrigerao de grande porte, visto a sua grande capacidade de rejeio de calor, baseada na transferncia simultnea de calor e massa. A complexidade destes fenmenos, aliado ao ta-manho de instalaes de refrigerao industrial e s dificuldades operacionais encontradas nas medies feitas em campo foi a motivao do estudo em laboratrio destes equipamentos a-travs de um modelo em escala reduzida, proporcionando um maior controle das variveis e maior facilidade para realizar modificaes e melhorar seu funcionamento.

A partir dessa idia foi projetado e construdo em laboratrio um condensador evapora-tivo em escala reduzida, baseado na anlise de escala de um condensador evaporativo j exis-tente em escala real utilizado em instalaes de refrigeraes industriais. Para sua anlise, montou-se um sistema baseado na norma ASHRAE 64-1995, a qual especifica os procedi-mentos, aparatos e instrumentao com os quais a determinao da capacidade de condensa-dores evaporativos pode ser obtida com acuracidade satisfatria servindo como base para ava-liaes comerciais. Com o sistema em operao, buscou-se uma melhor compreenso do seu funcionamento, a influncia de cada elemento e dos fenmenos envolvidos na sua operao.

A principal finalidade do trabalho de construir um condensador evaporativo em escala reduzida. Para ensai-lo foi igualmente construdo uma bancada de ensaios que permite de-terminar a capacidade de rejeio de calor do condensador evaporativo e o efeito da variao de parmetros de funcionamento, como a vazo de ar, vazo de gua nos chuveiros e tempera-tura de bulbo mido. Alm disso, foi possvel visualizar o escoamento de ar e gua no interior do equipamento devido as laterais do equipamento serem de vidro.

2. REVISO BIBLIOGRFICA

Segundo Zalewski e Gryglaszewki (1997), condensadores evaporativos podem substitu-ir sistemas de condensao compostos pela combinao de um trocador de calor casco e tubos e uma torre de resfriamento. Em comparao com esse sistema, condensadores evaporativos so caracterizados por um menor custo de investimento e operao, como tambm um uso mais econmico de material e espao. De acordo com a ASHRAE (2006), resfriamento eva-porativo geralmente a escolha mais econmica para o resfriamento de ciclo fechado quando um suprimento adequado de gua est disponvel a um custo aceitvel para atender a demanda de gua de reposio do sistema.

De acordo com Donni (2006), o trocador de calor de superfcie molhada tem o seu de-sempenho associado vazo de gua aspergida sobre a sua superfcie de troca. Este tipo de trocador pode alcanar coeficientes de transferncia maiores que trocadores com superfcie seca, entretanto tende a se estabilizar com o aumento da gua sobre a superfcie at um ponto que no ter mais efeito significativo sobre o equipamento. Sob as mesmas condies opera-cionais, o trocador de superfcie molhada apresenta uma eficincia que chega a ser 50 % mai-or do que o de superfcie seca, mantendo a superfcie de troca inalterada.

Os fenmenos complexos de transferncia de calor e massa envolvidos nestes equipa-mentos tm sido objeto de estudo de vrios pesquisadores, os quais tm buscado entender e

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predizer a ocorrncia destes fenmenos atravs de ensaios e modelagens numricas. A mode-lagem matemtica dos fenmenos de transferncia de calor e massa em resfriadores evapora-tivos foi assunto de diversos trabalhos. O trabalho de Parker e Treybal (1961) deve ser citado como o precursor desses modelos. Nele o desempenho de resfriadores evaporativos descrito em termos de dois coeficientes de transferncia, U e K, sendo U o coeficiente para a transfe-rncia de calor do fluido interno ao tubo e o spray de gua, e K o coeficiente de transferncia de massa entre o spray de gua e a corrente de ar. Para obter resultados globais, so integradas as equaes diferenciais que descrevem a transferncia de calor e massa. Atravs de experi-mentos realizados, deduziram-se coeficientes de filme para a transferncia de calor e de mas-sa. Halasz (1998) apresenta em seu trabalho um modelo matemtico adimensional para ser usado em todos os equipamentos que utilizam o fenmeno de resfriamento evaporativo. O sistema de equaes diferenciais descrevendo o processo de evaporao no adiabtica transformado em uma forma adimensional, introduzindo parmetros e coordenadas adimensi-onais.

Faco e Oliveira (2004) obtiveram experimentalmente correlaes para os coeficientes de transferncia de calor e massa para uma torre de resfriamento de contato indireto com ca-pacidade nominal de 10 kW. As novas correlaes obtidas resultaram em coeficientes de transferncia de calor e massa menores quando comparados com os existentes na literatura.

Centeno (2005) apresenta a operao e medio de uma bancada de testes para determi-nar experimentalmente a capacidade de um condensador evaporativo industrial. Posteriormen-te, utilizando um modelo de representao dos fenmenos de transferncia de calor e massa baseado na formulao de Parker e Treybal, (1961), concluiu haver boa concordncia do mo-delo matemtico utilizado com os resultados experimentais obtidos. A realizao das anlises experimentais neste condensador evaporativo foi feita utilizando a norma ASHRAE 64-1995. Flores (2005) equacionou o funcionamento de um condensador evaporativo partindo da efeti-vidade do processo e modelamento dos comportamentos interno e externo aos tubos para ava-liar comparativamente os resultados obtidos com medies realizadas em campo. A partir do equacionamento obtido possvel obter o desempenho no condensador avaliado externamente pelo ar e internamente pela amnia. Os valores obtidos pelo modelo matemtico apresentam boas concordncias com os experimentais.

No trabalho de Nakalski et al. (2006) so comparados dois modelos anteriormente im-plementados por Centeno (2005) e Flores (2005), para representar a transferncia de calor e a efetividade de um condensador do tipo evaporativo. O modelo usado por Centeno (2005) a-presenta um menor erro relativo em relao aos dados experimentais, isso se deve ao fato de que o modelo dependente de cinco parmetros de ajuste, enquanto o outro de apenas dois.

Sarker et al. (2008) fizeram estudos experimentais em um resfriador evaporativo com capacidade de 136 kW com gua circulando na serpentina. Foi estudada a capacidade do e-quipamento e a queda de presso em relao a diversas variveis. Atravs de um sistema de recirculao do ar mido da sada do condensador, a condio do ar de entrada do equipamen-to pde ser controlada. O desempenho obtido no estudo experimental estava de acordo com as especificaes e os resultados podem servir como parmetros bsicos para o projeto de equi-pamentos desse tipo.

3. FUNDAMENTAO TERICA

3.1. CONDENSADOR EVAPORATIVO

Condensadores evaporativos rejeitam para a atmosfera o calor resultante da condensa-o do fluido refrigerante que circula no interior da serpentina. Esta rejeio de calor pro-

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porcionada pela transferncia simultnea de calor e massa que acontece no interior do equi-pamento. A Figura 1 apresenta um desenho esquemtico do equipamento.

Figura 1: Desenho esquemtico de um condensador evaporativo

Ar atmosfrico admitido no equipamento na regio inferior por entradas de ar nas late-rais, escoando atravs da serpentina e saindo no topo dele. Enquanto isso a serpentina cons-tantemente molhada na sua parte externa por gua proveniente dos distribuidores de gua, causando um aumento do coeficiente de transferncia de calor na superfcie da serpentina. Esse escoamento em direes opostas de ar e gua causa a evaporao de uma frao de gua e conseqentemente aumenta gradativamente a umidade do ar que passa pelo equipamento. A transferncia de calor primeiramente ocorre entre o fluido em condensao na serpentina e o filme de gua no exterior devido diferena de temperatura. O calor absorvido pela gua ento transferido sob as formas sensvel e latente na interface da pelcula de gua para a cor-rente de ar. A transferncia de calor sensvel ocorre pela diferena de temperatura entre as duas correntes, enquanto a transferncia de massa, devido evaporao da gua, ocorre pela diferena de presso de vapor. O fenmeno de evaporao o processo dominante na rejeio de calor para o ambiente. A poro da gua que no evapora cai na bacia e recirculada no-vamente para os distribuidores de gua. Eliminadores de gotas so necessrios para evitar o arrasto de gua com o ar que sai do equipamento, conseqentemente evitando o desperdcio de gua com respingos de gua para fora do condensador.

A Figura 2 mostra a variao das temperaturas da gua no interior do equipamento. A temperatura de bulbo mido do ar aumenta ao longo de sua trajetria. A gua logo que sai do distribuidor de gua sofre uma pequena queda de temperatura at encontrar a serpentina devi-do evaporao. Ao encontrar a serpentina a gua comea a absorver calor, aumentando a sua temperatura at um valor mximo devido a uma menor evaporao na regio superior da ser-pentina, depois reduzindo devido ao aumento da evaporao na parte inferior.

A temperatura de bulbo mido do ar de entrada tem uma influncia dominante na capa-cidade de um condensador evaporativo, sendo ela um parmetro limitante da troca de calor. Quanto menor for essa temperatura, maior poder ser a capacidade do condensador ou menor poder ser a temperatura de condensao, o que significa menores presses no sistema. Se-gundo Stocker (1998), a diferena entre a temperatura de saturao e a de bulbo mido influ-

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encia a capacidade, mas no deve ser assumido que a capacidade diretamente proporcional a essa diferena. Se um condensador possui uma dada capacidade para uma diferena de tempe-ratura entre condensao e bulbo mido, por exemplo, entre 40 C e 25 C, a capacidade do condensador ser menor se essa mesma diferena de temperatura ocorrer em nveis mais bai-xos, como entre 30 C e 15 C. A razo para esse comportamento devido maior parte da transferncia de calor acontecer por vaporizao da gua, que proporcional diferena de presso de vapor entre o filme de gua e o ar. Analisando a carta psicromtrica, em baixas temperaturas a curva de saturao se alonga, significando que para a mesma diferena de temperatura haver uma menor diferena de presso de vapor, portanto uma menor vaporiza-o.

Figura 2: Distribuio de temperatura ao longo do condensador evaporativo (Fonte: adaptado de ASHRAE, 2006)

3.2. CLCULO DO CALOR REJEITADO

A fim de avaliar a capacidade de um condensador evaporativo, deve-se determinar a ta-xa de calor rejeitado para o ambiente, , em kW. Esse calor rejeitado pelo equipamento pode ser calculado de duas maneiras. A primeira forma atravs do balano trmico com a corrente de ar, conforme representado na Equao (1).

= (, ,) (1)

onde a vazo mssica de ar que passa atravs do condensador, em kg/s, e , e , so, respectivamente, a entalpia de sada e entrada do ar, em kJ/kg.

A outra forma realizando o balano trmico na corrente de fluido refrigerante. Segun-do a Equao (2), o calor rejeitado igual vazo mssica de refrigerante multiplicado pela variao de entalpia de entrada e sada menos a taxa de calor transferida devido gua de reposio na bacia, que, quando entra a uma temperatura diferente da gua armazenada na bacia, poder entregar ou retirar calor do sistema.

= , , ( ) (2)

onde a vazo mssica de fluido refrigerante, em kg/s, , e , so, respectivamen-te, as entalpias de entrada e sada do fluido refrigerante, em kJ/kg, a vazo mssica da gua de reposio, em kg/s e e so respectivamente a entalpia da gua na bacia e da gua de reposio.

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Depois de calculado o calor rejeitado, possvel obter o coeficiente global de transfe-rncia de calor experimentalmente, , em W/(m2C).

= . (3)

onde , em C, obtido com o auxlio da Equao (4) e a rea de troca trmica, em m

2.

= !" (4)

onde a temperatura de condensao do fluido refrigerante presso de sada e !" a temperatura mdia da gua #( + %)/2(. O desempenho de um condensador evaporativo tambm pode ser expresso pela sua eficincia trmica, ), definida como:

) = , ,, %, (5)

onde , e , so as temperaturas de entrada e sada do fluido refrigerante, em C, e %, a temperatura de bulbo mido do ar de entrada.

3.3. CONSIDERAES SOBRE O FLUIDO REFRIGERANTE

Segundo Stoecker e Jabardo (2002), algumas das caractersticas termodinmicas e fsi-co-qumicas dos fluidos refrigerantes so fatores determinantes para escolha de sua adequada aplicao aos mais diferentes tipos de instalaes. Fatores como as presses de trabalho, o efeito frigorfico terico, a vazo em volume por unidade de capacidade de refrigerao, o coeficiente de desempenho e a temperatura de descarga orientam esta avaliao. Na rea de refrigerao industrial, o R-22 e o R-717 (amnia) tm sido os fluidos mais utilizados, sendo a amnia mais largamente utilizada que o R-22.

O R-717 um dos mais eficientes fluidos, dentro de suas caractersticas de aplicao, possuindo uma grande capacidade de efeito frigorfico, visto seu elevado calor de vaporiza-o, muito embora os vapores deste fluido possuam um grande volume especfico (Pohlmann, 1971). A amnia (R-717) tem muitas vantagens como um fluido refrigerante em relao ao R-22 como coeficientes de transferncia de calor de duas a trs vezes maiores, mas tem como sua maior desvantagem o fato de ser txica a baixas concentraes podendo limitar suas apli-caes. De acordo com Stoecker (1998), a amnia possui em relao ao R-22 calor especfico no lquido e no vapor quatro vezes maior, calor latente de vaporizao seis vezes maior, con-dutividade cinco vezes e meia maior e metade da densidade.

3.4. ANLISE DIMENSIONAL

Para o estudo de modelos em escala reduzida, fundamental que o fenmeno seja simi-lar ao fenmeno em escala do prottipo. De acordo com Sedov (1993), dois fenmenos so similares se das caractersticas de um possvel inferir as caractersticas do outro por transpo-sio por uma relao de escala. Essas caractersticas so relaes entre variveis relevantes do fenmeno, deduzidas por anlise dimensional, gerando parmetros adimensionais.

Para que o modelo seja semelhante ao prottipo, algumas condies de similaridade de-vem ser mantidas entre os dois. A primeira condio a semelhana geomtrica, que requer

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que modelo e prottipo tenham a mesma forma e dimenses lineares sejam relacionadas por um fator de escala. Tambm deve haver semelhana cinemtica, referente semelhana entre velocidades, e semelhana dinmica, referente semelhana entre foras. Semelhana cine-mtica requer semelhana geomtrica, e semelhana dinmica requer semelhana cinemtica, mas s assegurada quando os valores dos parmetros adimensionais relevantes ao fenmeno forem iguais entre modelo e prottipo (FOX e McDONALD, 2006).

Foi guardada a semelhana geomtrica entre o prottipo e modelo do condensador eva-porativo. Como temos diversos fenmenos ocorrendo simultaneamente no interior de um condensador evaporativo, so necessrios alguns parmetros adimensionais para caracterizar todos os fenmenos envolvidos. O nmero de Reynolds (Re) fundamental em qualquer fe-nmeno envolvendo escoamentos de fluido e determina o regime do escoamento, laminar ou turbulento. Como temos o fenmeno de transferncia de calor ocorrendo no equipamento, o nmero de Nusselt (Nu) se torna de grande importncia junto com o nmero de Prandtl (Pr). Atravs da anlise dimensional do fenmeno de conveco, tem-se que o nmero de Nusselt funo do nmero de Reynolds e de Prandtl, *+ = ,(-., /0):

123 = , 4

5617 ,

89: (6)

onde o coeficiente de transferncia de calor por conveco, em W/(m2.C), 1 o compri-mento caracterstico, em m, 23 a condutividade trmica do fluido, em W/(m2.C), 5 a densi-dade do fluido, em kg/m3, 6 a velocidade do fluido, em m/s, 7 a viscosidade, em Pa.s, 8 a viscosidade cinemtica, em m/s e 9 a difusividade trmica, em W/(m.C).

Analogamente para a transferncia de massa, tem-se o nmero de Sheerwood (Sh) e o nmero de Schmidt (Sc), sendo que o nmero de Sheerwood funo do nmero de Reynolds e de Schmidt, ; = ,(-., ;

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composto pelo condensador evaporativo, um evaporador e um reservatrio. O evaporador um trocador de calor de casco e tubos, alimentado por gua quente proveniente de um aque-cedor de gua por resistncia eltrica. A potncia mxima medida para resistncia foi de 2,70,152 kW. A Figura 3 mostra o diagrama esquemtico do sistema de refrigerao, en-quanto no Apndice A encontram-se fotos da bancada e de seus equipamentos. No diagrama, as linhas vermelhas, verdes e azuis representam, respectivamente, os circuitos de R-22, gua de recirculao e gua quente.

Figura 3: Diagrama da Bancada Experimental

O fluido refrigerante circula no sistema devido diferena de massa especfica, no ha-vendo a necessidade de uma bomba para recalcar o fluido ao longo do sistema, eliminando assim a presena de leo no fluido e tubulaes. A vazo de refrigerante no sistema contro-lada pela taxa de calor adicionado ao fluido no evaporador juntamente com a capacidade de rejeio proporcionada no condensador, visto que o fluido refrigerante o meio de transporte desta energia. A taxa de calor adicionada ao sistema controlada por um controlador PID que mantm a temperatura de sada da gua do reservatrio de gua, ligando e desligando a resis-tncia.

O fluido refrigerante utilizado no sistema o R-22. O motivo da escolha do R-22 foi sua maior facilidade de trabalho em relao amnia, o fato de ele no ser txico e no atacar o cobre, caracterstica que a amnia no possui. Como o evaporador e o reservatrio disponveis possuem cobre, foi descartada a utilizao da amnia. O sistema todo se encontra prximo ao nvel de presso de condensao do fluido refrigerante. O vapor sai do evaporador e entra no condensador ainda como vapor superaquecido, devendo sair deste ltimo como lquido sub-resfriado, entrando posteriormente no reservatrio. De acordo com a norma utilizada como

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referncia, o reservatrio deve estar localizado o mais perto possvel da sada do condensador com a funo de formar um selo de lquido na sada. O nvel de lquido no reservatrio deve se manter razoavelmente constante durante o perodo de teste para garantir uma vazo de l-quido constante para o evaporador e assim garantir que o sistema esteja em regime estacion-rio. Para garantir que haja o mnimo de perda de calor para o exterior do sistema, todas as tubulaes so isoladas assim como o evaporador e o reservatrio.

4.2. DESCRIO DO CONDENSADOR EVAPORATIVO

O condensador evaporativo em estudo uma escala reduzida de um condensador evapo-rativo comercial existente que utilizado em instalaes de refrigerao industrial. O fator de escala utilizado igual a quatro. Na Figura 4 tem-se no lado esquerdo um desenho do conden-sador e no lado direito uma foto dele construdo. Uma vista explodida do desenho detalhando os componentes pode ser encontrada no Apndice B.

Figura 4: Condensador evaporativo. esquerda o desenho e direita a foto dele construdo

O condensador possui uma estrutura em alumnio com laterais de vidro para possibilitar a visualizao do escoamento argua na parte interna. O equipamento possui uma seo transversal de 0,25 m de largura por 0,51 m de comprimento, resultando uma rea de 0,1275 m2. A serpentina foi construda com tubos de cobre com dimetro externo de 6.35 mm (que corresponde ao dimetro comercial de '') e composta por 35 mantas de seis tubos cada, dispostas em um arranjo escalonado, conectados a um distribuidor na parte superior e a um coletor na parte inferior, totalizando uma rea total de troca de trmica de 2,032 m2.

Logo acima da serpentina encontra-se o distribuidor de gua. Fabricado tambm em co-bre, possui 36 sadas de gua permitindo uma distribuio uniforme de gua sobre a serpenti-na. Logo abaixo dos furos do distribuidor, foram colocadas pequenas placas para o espalha-mento e distribuio da gua sobre os tubos. O controle da vazo de gua aspergida sobre o banco de tubos feito por intermdio de um desvio (by pass) aps o recalque da bomba. Logo

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acima do distribuidor de gua encontra-se o eliminador de gotas feito em alumnio com pas-sagens para o ar de 1,8 mm de largura. O formato do eliminador faz com que o escoamento de ar tenha um caminho de 45 da direo vertical para um lado e depois vire 90 na outra dire-o. O ar sai na parte superior por um duto de 200 mm de dimetro que est conectado a um ventilador centrfugo, acionado por um motor eltrico trifsico de 372,9 W (0,5 HP). O con-trole da vazo de ar feito atravs da variao de velocidade proporcionada por um inversor de freqncia ligado ao motor eltrico. A entrada de ar consiste em duas laterais de 0,245 m por 0,1 m e duas laterais de 0,505 por 0,1, totalizando uma rea de entrada de 0,15 m2. Na parte inferior do condensador est localizado um reservatrio de gua com capacidade para aproximadamente 25 litros. Este reservatrio possui como finalidades o recolhimento da gua que escorre dos tubos e o armazenamento na suco da bomba para que esta no opere em vazio.

4.3. INSTRUMENTAO

4.3.1. Grandezas Medidas

No condensador so medidas as presses, temperaturas de bulbo seco e a umidade rela-tiva do ar na entrada, /, %, e -, e do ar na sada, /, %, e -, alm da vazo volumtrica de ar, 6. A presso, temperatura e umidade relativa so medidas atravs do equipamento Vaisala PTU-303, que utiliza um sensor PT-100 para medir a temperatura de bulbo seco e sensores capacitivos para medir a presso e umidade relativa. Atravs dessas trs propriedades possvel obter a temperatura de bulbo mido. A vazo de ar determinada atravs de um tubo de Venturi localizado em uma tubulao na descarga do ventilador.

Para determinar a condio de entrada e sada do fluido refrigerante no condensador, so medidas as temperaturas, , e ,, e as presses, /, e /,. Tambm medida a temperatura e a presso do fluido refrigerante, e / na tubulao entre o reservatrio e o evaporador. Essas temperaturas so medidas com Termopares do tipo J e as presses com transdutores de presso.

medida a temperatura da gua na bacia, %, e a temperatura da gua entrando nos dis-tribuidores de agua, . Isso feito para avaliar se existe alguma diferena de temperatura devido bomba e tubulao. Para essas medidas de temperatura so utilizadas termorresis-tncias PT-100. Aps a bomba, est localizado um medidor de vazo para medir a vazo de gua de recirculao, 6 !. Tambm so obtidas as potncias do ventilador do condensador e da bomba da gua de recirculao, com a medio da tenso e corrente que alimenta cada equipamento.

No evaporador so medidas as temperaturas de entrada e sada da gua quente, >, e >,, utilizando como sensores um PT-100 e a vazo de gua quente, 6>, com um hidrme-tro. A medio da vazo mssica de refrigerante no sistema, , no segue o recomendado pela norma ASHRAE 64-1995, sendo determinada atravs dos balanos de massa e energia, tomando-se como volume de controle o evaporador. Tambm medida a potncia fornecida resistncia do aquecedor de gua.

No Apndice C pode ser encontrada uma tabela resumindo a instrumentao utilizada, assim como a incerteza de medio referente a cada instrumento.

4.3.2. Incerteza de Medio

A incerteza de medio indica a preciso da medida executada. Para o caso de valores medidos por instrumentos calibrados na fbrica, a incerteza de cada uma das grandezas medi-

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das separadamente fornecida pelo fabricante. No entanto, quando precisamos utilizar diver-sas grandezas medidas para determinar uma grandeza que ser calculada (neste caso o calor rejeitado pelo condensador), torna-se necessrio calcular a incerteza combinada dos instru-mentos. Para isso foi utilizado a equao de Kline e McClintock (Hollman, 2001). Devido a fatores externos ao sistema pode haver a ocorrncia de dados inconsistentes durante o proce-dimento experimental, para isso o descarte de dados foi feito seguindo o Critrio de Chauve-net (Holman, 2001).

4.3.3. Calibrao

A calibrao dos sensores de temperatura foi feita no laboratrio em um banho agitado para temperaturas entre 15 C e 45 C, utilizando como referncia uma termorresistncia PT-100 calibrada. Os erros absolutos encontrados nos sensores de temperaturas se mantiveram entre 0.2 C do valor dado pelo sensor de referncia.

A calibrao do tubo de Venturi foi feita atravs do mtodo descrito por Delm (1983), atravs do tratamento adequado das velocidades na sada da tubulao, utilizando um tubo de Pitot para medir as velocidades do escoamento em diferentes posies radiais da seo trans-versal da tubulao. A curva para a vazo em funo do diferencial de presso obtido no Ven-turi encontra-se no Apndice D.

Para o restante dos instrumentos de medio foi assumida a calibrao realizada por ca-da fabricante.

4.4. PROCEDIMENTOS DE TESTE

Os testes realizados tiveram durao de 30 minutos, aps o sistema ter atingido o regi-me permanente. Os dados referentes ao fluido refrigerante, gua de recirculao e gua que alimenta o evaporador foram adquiridos com intervalo de 15 segundos, para poder acom-panhar as pequenas flutuaes que ocorrem nas medies e ter uma mdia mais representativa dos valores medidos no final do teste. As propriedades do ar de entrada e sada, adquiridas com intervalos de 5 minutos. Como a sala onde est localizado o equipamento climatizada, foi possvel manter uma condio do ar de entrada praticamente constante ao longo das medi-es. Foi utilizado o equipamento Agilent-HP 34970A para a aquisio dos dados e transfe-rncia deles para o computador. De acordo com a norma ASHRAE 64-1995, para que os da-dos coletados sejam vlidos, as leituras no podem diferir do valor mdio em 1C para as temperaturas, 1,5 % para as presses e 2,5% para as vazes.

As diversas medies realizadas para cada condio de operao do equipamento foram adicionadas a uma planilha para obter o valor mdio das medies. Posteriormente o calor rejeitado pelo condensador obtido com o auxlio do software EES (www.fchart.com), que possui internamente funes para as propriedades termodinmicas do o ar, gua e R-22 e au-xilia na determinao das incertezas finais dos resultados.

5. RESULTADOS

5.1. CALOR REJEITADO PELO CONDENSADOR

Parmetros como a vazo de ar (6), vazo de gua aspergida (6 !") e temperatura de bulbo mido do ar de entrada (%,) foram alterados em diversos testes realizados para a determinao da taxa de calor rejeitado pelo condensador. A presso mdia absoluta de entra-da do fluido refrigerante no condensador durante os diversos testes foi de 1,199 MPa (173,95 psia), com uma variao menor que 0,1% para cada teste em relao a essa mdia. De acordo

11

com a norma ASHRAE 64-1995, a temperatura de condensao () que deve ser conside-rada corresponde da presso na entrada do condensador, assim tem-se uma temperatura de condensao de 30,2 C. Num primeiro momento foi mantida uma vazo constante de gua aspergida sobre a serpentina igual a 0,78 m3/h, prxima vazo mxima possvel de 0.80 m3/h, enquanto era variada a vazo de ar que passava atravs do condensador. Esses testes foram realizados para duas condies do ar de entrada, %, de 16,5 C e %, de 18,5 C. Os resultados obti-dos para a rejeio do calor pode ser visto na Figura 5, onde o eixo inferior mostra a vazo de ar absoluta em m3/h e o eixo superior mostra essa vazo em relao vazo de ar mxima possvel. Medies com vazes menores de 130 m3/h no foram possveis pela dificuldade de manter um regime permanente no sistema.

Figura 5: Influncia da variao da vazo de ar sobre o calor rejeitado para = 30,2 C

Em todos os casos medidos, o ar saiu praticamente saturado e com %, entre 27,1 C e 27,3 C. Levando em conta as incertezas de medio do equipamento, podemos assumir que o ar em todos os casos est saindo na mesma condio. Como a condio do ar de entrada entre os casos difere muito pouco, tem-se praticamente a mesma variao de entalpia, de a-proximadamente 39 kJ/kg para os testes com %, de 16,5 C e 34 kJ/kg para os testes com %, de 18,5 C. Como a diferena de entalpia do ar de entrada e de sada se mantm prati-camente constante, a vazo de ar torna-se o fator limitante do calor rejeitado no condensador para estes casos. O aumento da %, de entrada causou um reduo de aproximadamente 13% na capacidade de rejeio de calor do condensador.

A colocao de um ventilador que aumente a vazo poderia aumentar significativamen-te a capacidade do condensador. Com a vazo de ar mxima possvel (246 m3/h), tem-se uma velocidade de face de 0,54 m/s na seo transversal do condensador. Fazendo uma anlise atravs de uma possvel velocidade de face de 3 m/s (vazo de 1366 m3/h), levando em conta de 30,2 C e a mesma variao de entalpia obtido (39 kJ/kg), chega-se a uma capacida-de de rejeio de calor possvel de aproximadamente 14,5 kW. Com temperaturas de conden-sao mais altas, poderia se chegar a capacidades ainda maiores no condensador.

Nos diversos testes realizados, ocorreu uma variao de entalpia para o R-22, entre en-trada e sada do condensador, praticamente constante, de aproximadamente 180 kJ/kg. Para igual a 30,2 C tem-se uma entalpia para mudana de fase de 177,3 kJ/kg, mostrando que praticamente quase todo o calor trocado no condensador da forma latente. Os valores

0.49 0.53 0.57 0.61 0.65 0.69 0.73 0.77 0.81 0.85 0.89

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

120 140 160 180 200 220

q C(k

W)

Tbu,ent = 16,5

Tbu,ent = 18,5

? @A (BC/D)

? @A / ? @A,B@E

12

obtidos para os testes mostrados acima do calor rejeitado pelo condensador calculado atravs do escoamento do ar (,) e da potncia calculada entregue ao sistema pela resistncia el-trica (,) so apresentados na Tabela 1, junto com a incerteza referente a cada grandeza.

Tabela 1: Valores obtidos para o teste de variao da vazo de ar

Como pode ser visto nos valores da tabela acima, houve uma boa concordncia entre os valores obtidos para , e ,, considerando as incertezas de medio, sendo o valor cal-culado pelo escoamento de ar superior ao calculado pela resistncia. Para os testes descritos acima, foi calculado o coeficiente global de transferncia de calor descrito na Equao (3). Os resultados obtidos esto no grfico do Apndice D.

Foi tambm analisada a influncia de diferentes vazes de gua aspergida sobre a capa-cidade do condensador. Durante os diferentes testes a potncia do motor foi mantida constante e a temperatura de bulbo mido do ar de entrada foi de 16,5 C. Comeou-se de uma vazo de 0,78 m3/h, decrescendo 0,1 m3/h por medio, at a vazo de 0,28 m3/h. No foi possvel efe-tuar medies com vazes inferiores a 0,25 m3/h devido instabilidade do medidor de vazo ao medir vazes abaixo desse nvel. Os resultados obtidos podem ser vistos na Figura 6 abai-xo.

Figura 6: Influncia da vazo de gua do chuveiro sobre o calor rejeitado para = 30,2 C

Com a diminuio da vazo de gua, podemos ver um pequeno aumento da capacidade do condensador nas quatro primeiras medies, devido ao pequeno aumento da vazo de ar causada por uma menor perda de carga, uma vez que a condio de sada do ar se manteve praticamente a mesma entre as medies. Para as duas medies com menores vazes, come-ou a ocorrer um decrscimo da temperatura de sada do ar em relao s outras medies, que no foi compensado por uma maior vazo de ar. Na Figura 7 o calor rejeitado mostrado em funo da razo entre a vazo mssica de gua e ar. possvel ver que a mxima capaci-dade do condensador foi obtida para uma razo prxima de dois. Outro fator que pode ter afe-

T bu,ent (C) V h20 (m3/h) V ar (m3/h) m r (kg/h) q c,ar (kW) q c,res (kW)1 16,59 0,18 0,78 0,5% 136,7 2,0 33,36 1,33 1,668 0,066 -2 16,50 0,18 0,78 0,5% 159,1 2,5 39,66 1,57 1,983 0,078 1,863 0,1053 16,36 0,18 0,78 0,5% 182,5 2,9 45,33 1,80 2,266 0,089 2,109 0,1194 16,54 0,18 0,78 0,5% 204,4 3,2 49,95 2,01 2,498 0,100 2,338 0,1325 16,43 0,18 0,78 0,5% 216,3 3,3 52,56 2,10 2,628 0,105 2,469 0,1396 18,47 0,19 0,78 0,5% 182,5 2,9 39,42 1,82 1,971 0,091 1,871 0,1057 18,44 0,19 0,78 0,5% 204,4 3,2 43,76 2,03 2,188 0,101 2,103 0,1188 18,57 0,19 0,78 0,5% 216,3 3,3 44,83 2,12 2,241 0,106 2,176 0,123

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

q C(k

W)

? DFG (BC/D)

13

tado a diminuio da capacidade para baixas vazes de gua uma pior distribuio da gua sobre a serpentina.

Figura 7: Calor rejeitado em funo da razo entre a vazo mssica de gua e de ar

Na Tabela 2 abaixo, so apresentados os valores obtidos para o teste com variao da vazo de gua aspergida sobre a serpentina.

Tabela 2: Valores obtidos para o teste de variao de vazo de gua aspergida

Como nos testes anteriores, houve uma concordncia similar entre as potncias calcula-das, com os valores calculados pelo escoamento de ar tambm superiores aos da resistncia. Vemos tambm o aumento gradativo da vazo de ar com a reduo da vazo de gua aspergi-da. Os valores obtidos para o coeficiente global de transferncia de calor (equao (3)) para diferentes vazes de gua so mostrados no grfico do Apndice F.

Na Figura 8 mostra-se a variao das temperaturas de diversas propriedades medidas ao longo de 30 minutos de ensaio. O teste mostrado abaixo foi para uma vazo de 0,78 m3/h de gua e de 216,3 m3/h de ar, e a capacidade de rejeio de calor medida foi de 2,628 kW.

A temperatura de condensao mostrada no grfico foi calculada com a presso de en-trada referente a cada instante de medio. A queda de presso mdia absoluta do fluido entre entrada e sada foi de 6,8 kPa (0,991 psia), aproximadamente 0,5% da presso de entrada, causando uma diminuio inferior 0,2 C na temperatura de condensao. As temperaturas de bulbo mido de entrada e sada do ar no grfico so referentes s temperaturas mdias ob-tido durante a medio. possvel observar que o fluido refrigerante entra como vapor supe-raquecido e sai como lquido sub-resfriado. A temperatura da gua aspergida sobre a serpenti-na est abaixo da temperatura de sada do refrigerante e ligeiramente acima da temperatura de sada do ar. Nos diversos casos ensaiados a temperatura de sada do ar foi muito prxima da temperatura da gua aspergida sobre a serpentina, que se estabilizou a cerca de 2,5 C abaixo da temperatura de condensao do fluido refrigerante.

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

1 1.5 2 2.5 3 3.5

q C(k

W)

T bu,ent (C) V h20 (m3/h) V ar (m3/h) m r (kg/h) q c,ar (kW) q c,res (kW)1 16,54 0,18 0,78 0,5% 204,4 3,2 49,95 2,01 2,498 0,100 2,338 0,1322 16,49 0,18 0,68 0,5% 205,2 3,2 50,28 2,02 2,513 0,101 2,363 0,1333 16,58 0,18 0,58 0,5% 206,5 3,3 50,39 2,03 2,520 0,101 2,319 0,1314 16,61 0,18 0,48 0,5% 209,3 3,3 51,06 2,05 2,554 0,102 -5 16,61 0,18 0,38 0,5% 212,4 3,3 50,42 2,06 2,521 0,103 2,406 0,1366 16,43 0,18 0,28 0,5% 212,4 3,3 49,09 2,02 2,455 0,101 2,384 0,134

B DFG / B @A

14

Figura 8: Variao das temperaturas medidas ao longo de 30 minutos de ensaio

5.2. VISUALIZAO DO ESCOAMENTO DE AR-GUA

Um dos objetivos do trabalho era poder visualizar o escoamento de ar-gua e a distribu-io da gua sobre a serpentina, por isso a opo de laterais de vidro no condensador. A Figu-ra 9 apresenta duas imagens desse escoamento, sendo que esquerda tem-se a imagem para uma vazo de 0,78 m3/h e direita de 0,58 m3/h. Para ambos os casos a vazo de ar foi idnti-ca. possvel observar uma boa distribuio da gua sobre a serpentina, mesmo para o caso com baixa vazo de gua. Foi experimentada a adio de fumaa para uma melhor visualiza-o do escoamento de ar, mas no resultou numa boa visualizao devido a ao escoamento de gua e iluminao disponvel.

Figura 9: Visualizao do escoamento de ar-gua. esquerda com vazo de gua de 0,78 m3/h e direita com vazo de 0,58 m3/h

6. CONCLUSES

A bancada experimental e o condensador evaporativo projetado em escala reduzida fo-ram construdos e operados com sucesso no laboratrio. O taxa de calor rejeitado pelo con-

1517192123252729313335

0 5 10 15 20 25 30

Tem

pera

tura

(C

)

Tempo (minutos)

Tr,ent

Tr,sai

Tc

Tcond

Tbu,ent

Tbu,sai

15

densador evaporativo para o ambiente foi obtido para diversas combinaes de vazo de gua e ar. Foi estudada a influncia da variao da vazo de ar para uma vazo fixa de gua asper-gida sobre a serpentina, com duas temperaturas de bulbo mido de entrada distintas. Consta-tou-se um salto entlpico do ar semelhante entre os casos, sendo a vazo de ar o fator que di-ferenciou a capacidade entre os casos de mesma condio de entrada. O aumento de 16,5 C para 18,5 C na temperatura de bulbo mido de entrada causou uma reduo de aproximada-mente 13% na capacidade de rejeio de calor do condensador. Tambm foi estudada a varia-o da vazo de gua aspergida para uma potncia fixa do ventilador. Observou-se um peque-no aumento da vazo de ar devido a uma menor perda de carga, mas ao se diminuir muito a vazo de gua, observou-se tambm um decrscimo da entalpia de sada do ar. Foi observada uma rejeio mxima de calor para uma razo de aproximadamente dois entre a vazo de gua e vazo de ar.

Entre os pontos estudados a capacidade mxima obtida foi de 2,6280,105 kW. A rejei-o de calor calculada pelo escoamento de ar teve boa concordncia com o valor calculado de potncia fornecida ao sistema pela resistncia eltrica, sendo o valor calculado pelo escoa-mento do ar superior. Levando em conta a incerteza de medies, existem regies onde os dois valores se sobrepem. A mxima capacidade possvel no condensador ensaiado no foi alcanada devido limitao da potncia da resistncia eltrica utilizada para aquecer a gua. Como esperado, o ar saiu do condensador saturado, mostrando o bom funcionamento do equi-pamento. Nos testes realizados, sempre ocorreu a mudana completa de fase do R-22, de va-por superaquecido para lquido sub-resfriado. Os valores obtidos para o coeficiente de transfe-rncia de calor experimental nos testes realizados oscilou em torno de 400 W/m2.C, valores que esto de acordo com a literatura consultada.

Um maior nmero de ensaios em condies diferentes deve ser realizado para obter um conhecimento mais aprofundado do funcionamento do condensador e da real influncia de cada parmetro. Foi obtida uma semelhana incompleta entre o prottipo e o modelo do con-densador evaporativo estudado. Comportamentos obtidos para esse condensador podem aju-dar a melhor compreender o funcionamento de condensadores em escala real.

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REFERNCIAS

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BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

INCROPERA, F. W. DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferncia de Calor e Massa. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.

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APNDICE A Fotos da bancada e de seus equipamentos

Bancada Experimental

Bancada Experimental

Aquecedor de gua

Evaporador

Reservatrio de Lquido

Painel eltrico

18

APNDICE B Vista explodida do condensador evaporativo

APNDICE C Instrumentos de medio utilizados

Grandezas Instrumento Fabricante/Modelo Incerteza %,, %, PT 100 Vaisala PTU-303 0,2 C (a 20 C) -, - Sensor HUMICAP 180 Vaisala PTU-303

1% (de 0 a 90%) 1,7% (de 90 a 100%)

/, / Sensor BOROCAP Vaisala PTU-303 0.45hPa >,, >,, %, PT 100 - 0.2 C

,, ,, Termopar Tipo J - 0.2 C /,, /,, / Transdutor de Presso Full Gauge SB69 1%

6HIJ Flow Meter Rosemount 8732 0.5% 6> Hidrmetro LAO 2%

/K Manmetro - 3%

19

APNDICE D Curva de calibrao do tubo de Venturi

APNDICE E Coeficiente global de transferncia de calor em funo da vazo de ar

y = -0.2053x2 + 13.58x + 62.565

R = 0.9966

100

120

140

160

180

200

220

240

260

5 7 9 11 13 15 17 19

m3/

h

mmCA

0.49 0.53 0.57 0.61 0.65 0.69 0.73 0.77 0.81 0.85 0.89

300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

120 140 160 180 200 220

U (W

/m2 .

C)

Tbu,ent = 16,5

Tbu,ent = 18,5

? @A (BC/D)

? @A / ? @A,B@E

20

APNDICE F Coeficiente global de transferncia de calor em funo da vazo de gua

300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

U (W

/m2 .

C)

? DFG (BC/D)