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Diego Marchi

UMA ANÁLISE EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE

TROCADORES DE CALOR TUBO CAPILAR-LINHA DE

SUCÇÃO APLICADOS EM REFRIGERADORES DOMÉSTICOS

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao Departamento de

Engenharia de Produção e Sistemas

da Universidade Federal de Santa

Catarina, como requisito parcial

para obtenção do título em

Engenharia Mecânica, habilitação

Produção Mecânica.

Orientador: Prof. Antonio Cezar

Bornia, Dr.

Florianópolis

2018

Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor

através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária

da UFSC.

Diego Marchi

UMA ANÁLISE EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE

TROCADORES DE CALOR TUBO CAPILAR-LINHA DE

SUCÇÃO APLICADOS EM REFRIGERADORES DOMÉSTICOS

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado e

aprovado, em sua forma final, pelo curso de Graduação em Engenharia

de Produção Mecânica, da Universidade Federal de Santa Catarina.

Florianópolis, 28 de junho de 2018.

__________________________

Prof.ª Marina Bouzon, Dr.ª

Coordenadora dos Cursos de Graduação em Engenharia de Produção

Banca Examinadora:

________________________________

Prof. Antonio Cezar Bornia, Dr.

Orientador

Universidade Federal de Santa Catarina

________________________

Joel Boeng, M.Sc.

Co-orientador


_____________________________________

Prof. Rogério Feroldi Miorando, Dr.


Dedico este trabalho aos meus pais e

todos os amigos que conheci na

UFSC, sobretudo aqueles que me

ajudaram durante toda a caminhada

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por toda a saúde e proteção, tanto minha quanto

de minha família, para que fosse possível chegar onde estou hoje.

À UFSC, por fornecer subsídios para um ensino de qualidade, os

quais fizeram um grande sonho se tornar realidade

Ao Prof. Cláudio Melo, pelo apoio desde o início das atividades

laboratoriais, também pelo fato de confiar trabalhos de suma

importância em minhas mãos, onde pude aprender muito, despertando

ainda mais o interesse pela área de ciências térmicas.

Aos colaboradores do laboratório POLO, Rodolfo Espíndola,

Fernando Knabben e Joel Boeng, pelo alto grau de instrução durante

toda a graduação e pelos momentos de descontração, em especial ao Joel

Boeng, por ter aceitado me orientar nesse trabalho.

À minha namorada, Loiane Cristina de Souza, pelo

companheirismo e paciência durante a realização deste trabalho,

sobretudo o apoio em realizar um trabalho de qualidade.

Às grandes pessoas que tive oportunidade de conhecer no

laboratório POLO, Guilherme Zanotelli e Igor Galvão, que além de

grandes tutores, tanto na vida quanto nos estudos, me apoiaram nos

momentos mais difíceis e se tornaram fortes amigos.

Ao Prof. Cezar Antônio Bornia, pelo companheirismo e

compreensão, e por ter aceitado a orientação do meu trabalho, mesmo

que fugindo à sua área de atuação.

Especialmente ao POLO, pela oportunidade de aprendizado e

crescimento, além do apoio financeiro que foi necessário para o sustento

durante a graduação. Além disso, agradeço imensamente pela estrutura

disponibilizada para aprendizagem e realização do trabalho de conclusão

de curso, que não poderia ser feito sem a mesma.

Por fim, à minha família. Meus pais, Amarildo Marchi e Márcia

dos Santos Marchi, pelo amor, apoio e por todos os sacrifícios feitos por

mim durante esse período, e ao meu irmão, Willian Marchi, por todo o

apoio nos momentos de difíceis decisões, e pela descontração em

momentos de aflição.

O sucesso é ir de fracasso em fracasso sem perder o entusiasmo” (Winston Churchill)

“Cada um terá a vista da montanha que subir.” (Ícaro Fonseca)

RESUMO

Uma das principais preocupações da sociedade atual é o

gerenciamento de recursos intrínsecos ao sustento do país como um

todo. A busca por fontes de energia sustentáveis tem se tornado cada vez

mais incessante, ao ponto que soluções inovadoras para a redução

marginal do consumo de energia tomam cada vez mais espaço dentro do

âmbito de pesquisa em engenharia. No Brasil, segundo documento

publicado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) ao final de 2015,

28,2% do consumo total de energia pertence ao setor residencial, sendo

que dentro do consumo residencial, cerca de 50% é proveniente do uso

de congeladores, refrigeradores e condicionadores de ar. Sendo assim, as

melhorias atreladas ao aumento da eficiência desse tipo de sistema são

de suma importância, e contribuem significativamente para a

sustentabilidade do panorama energético atual. Uma das alternativas

para que se possa prover um aumento na eficiência desse tipo de

sistema, é atacar seus principais componentes de forma individual.

Vários estudos foram desenvolvidos em cima do compressor, por

exemplo, onde foram propostas melhorias bastante significativas. Os

trocadores de calor, usados como condensador e evaporador em ciclos

de refrigeração, também tiveram melhorias substanciais ao longo do

tempo. No entanto, o presente trabalho tem por foco o dispositivo de

expansão, componente fundamental no ciclo de refrigeração, mais

especificamente, tratando de trocadores de calor tubo capilar – linha de

sucção. Dependendo do fluido refrigerante empregado no ciclo, esse

componente tem um alto potencial de aumento do COP do ciclo. No

entanto, existem diferentes formas possíveis de se fabricar esse trocador,

que, no presente trabalho serão abordadas como as geometrias

concêntrica, lateral com fita e lateral brasada. Cada configuração carrega

consigo uma determinada troca de calor, que depende de características

geométricas e operacionais. Sob ambos os vieses os trocadores foram

testados e analisados, sugerindo uma tendência em maior efetividade no

uso do trocador de calor brasado.

Palavras-chave: Refrigeração doméstica, tubo capilar,

dispositivo de expansão, trocador de calor

ABSTRACT

One of the main concerns of today's society is the management of

resources intrinsic to the livelihood of the country. The research for

sustainable energy sources has become increasingly incessant, wherein

innovative solutions to the marginal reduction of energy consumption

take more and more space within the scope of engineering research. In

Brazil, according to a document published by the Energy Research

Company (EPE) at the end of 2015, 28.2% of total energy consumption

belongs to the residential sector, and within residential consumption,

about 50% comes from the use of freezers, refrigerators and air

conditioners. Therefore, the improvements linked to the increased

efficiency of this type of system are of paramount importance and

contribute significantly to the sustainability of the current energy

environment. One of the alternatives to provide an increase the

efficiency of household refrigerating systems is to attack its main

components individually. Several studies have been developed over the

compressor, for example, where quite significant improvements have

been proposed. The heat exchangers, used as condenser and evaporator

in refrigeration cycles, also had substantial improvements over time.

However, the present work focuses on the expansion device,

fundamental component in the refrigeration cycle, more specifically,

dealing with heat exchangers capillary tube - suction line. Depending on

the refrigerant used in the cycle, this component has a high potential for

increasing the COP of the cycle. However, there are different possible

ways of making this exchanger, which in the present work will be

approached as the concentric geometries, lateral with tape and lateral

brazed. Each configuration carries with it a certain heat exchange, which

depends on geometric and operational characteristics. Under both biases

the heat exchangers were tested and analyzed, suggesting a more

effective trend in the use of the brazed heat exchanger.

Keywords: Household Refrigeration, Capillary Tube, Expansion

Device, Heat Exchanger.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Geladeira usada no século XIX ............................................ 21 Figura 2 - Experimento de William Cullen ........................................... 22 Figura 3 - Ciclo de refrigeração padrão ................................................. 23 Figura 4 - Consumo final na carga residencial ...................................... 24 Figura 5 - Etiqueta padrão utilizada pelo INMETRO ........................... 25 Figura 6 - Ciclo padrão.......................................................................... 27 Figura 7 - Ciclo com iHX ...................................................................... 28 Figura 8 - Seção transversal das configurações de TC-TCLS ............... 30 Figura 9 - Esquema da bancada experimental do tipo blow down ........ 37 Figura 10 - Aparato experimental de Dirik et. al .................................. 39 Figura 11 - Ciclo de refrigeração utilizado por Domanski .................... 40 Figura 12 - Efeito direto da efetividade no COP do sistema ................. 41 Figura 13 - Configuração utilizada por Chen e Lin ............................... 42 Figura 14 - Bancada experimental utilizada por Gonçalves (1994),

Mendonça (1996) e Zangari (1998) ....................................................... 43 Figura 15 - Trocadores usados por Dubba e Kummar .......................... 44 Figura 16 - Trocador de calor com escoamento paralelo ...................... 49 Figura 17 - Trocador de calor com escoamento contracorrente ............ 50 Figura 18 - Representação esquemática do TC-TCLS .......................... 51 Figura 19 - Região de efetividade para um trocador de calor

contracorrente ........................................................................................ 52 Figura 20 - Descrição do TC-TCLS: (a) Concêntrico; (b) Lateral ........ 53 Figura 21 - Contato entre o tubo capilar e alinha de sucção .................. 56 Figura 22 - Pressão vs indentação ......................................................... 56 Figura 23 - Bancada experimental TC-TCLS ....................................... 58 Figura 24 - Representação da bancada experimental ............................ 59 Figura 25 - Evaporador seco ................................................................. 60 Figura 26 - Representação das conexões de entrada e saída usadas na

seção de testes ....................................................................................... 62 Figura 27 - Representação sistemática dos controles da bancada ......... 63 Figura 28 - Programa de monitoramento e controle da bancada

experimental .......................................................................................... 65 Figura 29 - Representação da seção de testes ........................................ 65 Figura 30 - Seção transversal do isolamento da seção de testes ............ 67 Figura 31 - Taxa de transferência de calor e efetividade médias para

diferentes configurações de TC-TCLS .................................................. 70 Figura 32 - Taxa de transferência de calor e efetividade em função do

comprimento de troca para configuração com Fita Al .......................... 71 Figura 33 Diagrama de comando .......................................................... 82

Figura 34 Diagrama de potência ........................................................... 83 Figura 35 Tomografia do capilar 1 ....................................................... 85

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Matriz de testes experimentais ............................................. 47 Tabela 2 - Parâmetros geométricos das configurações .......................... 56 Tabela 3 - Resultados médios para as configurações testadas ............... 70 Tabela 4 - Lista de equipamentos ......................................................... 79 Tabela 5 - Medições dos diâmetros capilares ....................................... 87

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ........................................................................ 21

1.1 CONTEXTO HISTÓRICO ........................................................ 21

1.2 CONSUMO DE ENERGIA E POLÍTICAS DE ETIQUETAGEM

.....................................................................................................24

1.3 CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO DE VAPOR ................ 26

1.3.1 Ciclo com trocador de calor TC–TCLS .................................. 28

1.4 CONFIGURAÇÕES DE TC-TCLS ........................................... 30

1.5 OBJETIVOS ............................................................................... 32

1.5.1 Objetivo Geral .......................................................................... 32

1.5.2 Objetivos específicos ................................................................. 32

1.6 ESTRUTURA............................................................................. 33

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................ 35

2.1 RETROSPECTIVA HISTÓRICA .............................................. 35

2.2 TRABALHOS RECENTES ....................................................... 38

3 METODOLOGIA ..................................................................... 45

4 CARACTERIZAÇAO TEÓRICA .......................................... 49

5 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL ............................ 55

5.1 AMOSTRAS DOS TC-TCLS ABORDADAS .......................... 55

5.2 BANCADA EXPERIMENTAL ................................................. 57

5.3 INTRUMENTAÇÃO ................................................................. 60

5.4 METODOLOGIA DE CONTROLE .......................................... 62

5.5 SEÇÃO DE TESTES ................................................................. 65

6 RESULTADOS ......................................................................... 69

7 CONCLUSÕES......................................................................... 73

REFERÊNCIAS ....................................................................... 75

APÊNDICE A – LISTA DE EQUIPAMENTOS

UTILIZADOS ........................................................................... 79

APÊNDICE B– SISTEMA ELÉTRICO, SISTEMA DE

CONTROLE E SISTEMA DE MEDIÇÃO DA BANCADA

EXPERIMENTAL ................................................................... 81

APÊNDICE C – CARACTERIZAÇÃO GEOMÉTRICA

DOS TUBOS CAPILARES ..................................................... 85

21

1 INTRODUÇÃO

1.1 CONTEXTO HISTÓRICO

A relação entre a conservação dos alimentos e sua temperatura de

armazenamento é conhecida desde os primórdios da humanidade. Tal

fato é evidenciado por práticas usadas por povos antigos, como os

gregos e romanos, que envolviam neve em buracos com madeira e

palha, ou então a extração e armazenamento de gelo proveniente da

natureza, feita pelos chineses antes do primeiro milênio.

A importância do gelo como artifício de refrigeração para a

indústria e domicílios é notável desde o início do século XIX (REIF-

ARCHEMAN, 2012). Segundo Gosney (1982) o gelo era extraído de

rios e lagos e então distribuído por diversos meios de transporte até o

local destino, sendo estes, na maioria das vezes, domicílios os quais

possuíam aparatos específicos para conservar ou refrigerar alimentos e

bebidas. Esses aparatos usados em domicílios da época, ilustrados pela

Figura 1 eram denominados por geladeiras, ou originalmente por

iceboxes.

Figura 1 - Geladeira usada no século XIX

Fonte: Shiloh Museum of Ozark History, 2009

É importante salientar que a comercialização de gelo, em larga

escala, deve-se primordialmente a Frederic Tudor1, que em 1806, iniciou

1 Frederic Tudor (1783-1864), The “Ice King” of the world (Notas de aula

da disciplina de fundamentos da refrigeração, 2017)

22

a venda de gelo extraído do rio Hudson no estado de Nova Iorque,

Estados Unidos. No entanto, a Figura 1 demonstra uma grande

superação em um dos maiores obstáculos da época: a inexistência de

isolantes térmicos de qualidade. É possível verificar a real importância

do gelo na época através do fato de que no início do século XX, as 10

maiores empresas da bolsa de valores de Nova Iorque exploravam o

gelo natural (Melo, 2017).

Durante os séculos XVIII e XIX a área de refrigeração foi

bastante estudada na Europa, de forma mais notória na França e na

Inglaterra. Entretanto, apesar dos resultados obtidos com o gelo serem

satisfatórios para a época, impedimentos como a dificuldade de extração

e a necessidade de reposição fomentaram o desenvolvimento de

diferentes alternativas para a refrigeração. Dessa forma, em meados do

século XVIII, William Cullen conduziu experimentos com refrigeração

artificial envolvendo evaporação do éter ( ), e, apesar de obter

gelo através do uso de um ciclo aberto como mostra a Figura 2, o

sistema ainda possuía caráter custoso pela necessidade de reposição do

fluido de trabalho, por se tratar de um sistema aberto. No entanto,

apenas em 1834, Jacob Perkins apresentou o primeiro ciclo fechado de

refrigeração, principiando a refrigeração por compressão mecânica de

vapor. O ciclo fechado ilustrado pela Figura 3 foi estudado por James

Harrison, que patenteou o primeiro equipamento comercial de produção

de frio por compressão mecânica de vapor, o qual foi apresentado à

sociedade em 1862 (BOENG, 2012).

Figura 2 - Experimento de William Cullen

Fonte: Knabben, 2010

23

Figura 3 - Ciclo de refrigeração padrão

Fonte: Zanotelli, 2017

A aplicação do gelo como agente principal na refrigeração e

conservação dos alimentos perdurara por muito tempo após a introdução

da refrigeração mecânica. O fato, é que existia um mercado bastante

consolidado para a época, o que gerava vários impedimentos para a

adesão da refrigeração por compressão mecânica de vapor dentro das

residências na época. Tais fatos podem ser comprovados mediante

verificação da mídia, por volta de 1928, onde o New York Times e outros

jornais faziam campanha para eliminar os refrigeradores domésticos do

mercado, devido ao uso de refrigerantes tóxicos.

Um ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor se

baseia na capacidade de determinadas substâncias absorverem ou

liberarem grandes quantidades de energia durante processos de mudança

de fase (BOENG, 2012). Essas substâncias, denominadas fluidos

refrigerantes, foram uma das maiores barreiras para o desenvolvimento do mercado de refrigeração; Apesar da grande pressão exercida nesse

nicho, o mercado conseguira se desenvolver após a introdução de

fluidos refrigerantes do tipo hidrocarbonetos halogenados, os CFCs, que

24

agora não apresentavam mais os problemas com toxicidade e

flamabilidade anteriormente citados.

Atualmente os sistemas de refrigeração por compressão mecânica

de vapor dominam o mercado, mas ainda existem críticas quanto ao uso

de alguns fluidos refrigerantes. Os CFCs foram associados à depleção da

camada de ozônio, já outros fluidos apresentam efeitos relacionados ao

efeito estufa e o aquecimento global como o R-134a. Uma das grandes

apostas atualmente é o uso do fluido R600a, por apresentar baixos

potenciais de poluição mantendo um desempenho aceitável no ciclo de

refrigeração, tal fluido será usado como base nesse trabalho para

descrever os fenômenos relacionados a troca de calor entre tubos

capilares e linha de sucção.

1.2 CONSUMO DE ENERGIA E POLÍTICAS DE ETIQUETAGEM

Atualmente estima-se que existem mais de 1 bilhão de

refrigeradores domésticos espalhados pelo planeta (COULOMB, 2006),

os quais representam uma grande fatia no mercado consumidor de

energia elétrica, conforme é demonstrado na Figura 4. Desde 1984, no

Brasil, o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

(INMETRO) vem buscando demonstrar, na forma de indicadores, a

eficiência energética com que operam os eletrodomésticos, usando uma

base comum.

Figura 4 - Consumo final na carga residencial

Fonte: Eletrobras, 2007

25

Segundo o histórico do programa brasileiro de etiquetagem

(Procel), publicado pelo INMETRO em 2015, em 2001 foi publicada a

lei da Eficiência Energética, encarregando o próprio INMETRO de

definir valores mínimos para as eficiências dos produtos, inclusive,

rotulando-os com etiquetas, conforme demonstrado na Figura 5. Apesar

do grande fomento à adesão de refrigeradores mais eficientes, por parte

dos órgãos governamentais, segundo o INMETRO, ainda são muitos os

casos onde as pessoas desconhecem uma métrica adequada para a

comparação de eletrodomésticos do ponto de vista do consumo de

energia, no entanto, a etiqueta trouxe grandes avanços, demonstrando

ser um bom indicador.

Figura 5 - Etiqueta padrão utilizada pelo INMETRO

Fonte: INMETRO, 2018

Além dos dados dispostos na Figura 4, também foi constatado que 96% da população brasileira possuímos pelo menos um refrigerador

em casa, além do que a média dos refrigeradores por domicílio

aumentou em quase 20% (PROCEL, 2015). No ano de 2012, o setor

residencial foi responsável por 26% de toda a energia elétrica consumida

no Brasil (EPE, 2013). Pode-se afirmar, portanto, que os refrigeradores

26

domésticos foram responsáveis por mais de 7% de toda a energia

consumida no país. Para se ter uma ideia da magnitude do consumo

brasileiro e quão significativa é essa fatia, segundo o relatório de 2015,

publicado pelo Procel, coordenado pela Eletrobras, o consumo em 2014

foi de 473,4 bilhões de KWh.

Estabelecida a importância de demanda de energia elétrica,

proveniente dos refrigeradores, segundo Colombo (2014), o governo

vem desenvolvendo inciativas para incentivar o aumento da eficiência

nesses aparelhos, com incentivos tanto para as indústrias, quanto para os

consumidores. A principal de forma de se reduzir o consumo dos

referidos sistemas de refrigeração, é atacar seus componentes principais,

avaliando suas perdas. Vários estudos foram desenvolvidos nesse

âmbito, levando a significativos incrementos no coeficiente de

desempenho (COP – do inglês Coefficient of Performance), em cada

componente, como o compressor e os trocadores de calor (Evaporador e

Condensador. Entretanto, uma das maneiras de efetuar melhorias no

COP dos refrigeradores, além de aprimorar seus componentes, é através

do desenvolvimento de ciclos alternativos de compressão mecânica de

vapor (MELO; SILVA, 2010).

1.3 CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO DE VAPOR

Segundo Galvão (2016), entende-se por refrigerador um aparelho

eletrodoméstico cuja função objetivo é conservar os alimentos frescos

ou congelados por meio do controle de temperatura, possível através da

remoção de calor. De forma básica, é possível dizer que um refrigerador

é composto por um gabinete termicamente isolado acoplado a um

sistema de refrigeração que remove a carga térmica do ambiente interno

e rejeita ao ambiente externo.

Os refrigeradores domésticos, em sua grande maioria, empregam

sistemas de compressão mecânica de vapor, os quais são constituídos,

basicamente, por quatro componentes – compressor, condensador,

dispositivo de expansão e evaporador (BOENG, 2012). A junção desses

componentes justapostos forma um ciclo termodinâmico, conforme

demonstrado na Figura 6.

Conforme demonstrado pela Figura 6, e segundo ZANGARI

(1998), esses quatro componentes básicos são acoplados, originando um

sistema fechado, sendo necessário o uso de um fluido de trabalho, de

natureza volátil. Nesse tipo de sistema, o fluido de trabalho é mantido à

baixa temperatura e pressão no evaporador e a alta temperatura e

pressão no condensador, devido a ação contínua do par compressor –

27

dispositivo de expansão (ZANGARI, 1998). Dessa forma, por meio da

remoção de calor do meio que deseja refrigerar (Qe), o fluido

refrigerante é vaporizado no evaporador. Subsequentemente, no

condensador, o fluido é condensado, mediante rejeição de calor para um

meio à alta temperatura (Qc).

Figura 6 - Ciclo padrão


Ainda na Figura 6, é possível descrever os quatro processos

distintos, inerentes ao ciclo de refrigeração. Conforme mencionado por

Silva (2008), tem-se quatro processos principais, que formam um ciclo

padrão de refrigeração por compressão mecânica de vapor, conforme a

seguinte descrição.

1-2 Compressão isentrópica (s=constante)

2-3 Rejeição isobárica de calor

3-4 Expansão isentálpica (h=constante

4-1 Absorção isobárica de calor

No processo 1-2, o vapor parte da condição de vapor saturado e é

comprimido isentropicamente até o ponto 2, onde estará no estado de

vapor superaquecido e com uma pressão , maior que .No processo

2-3 o fluido perde calor para o ambiente externo, de forma isobárica,

mediante um trocador de calor, sendo que existe um parcela de calor

trocado de forma sensível e outra parcela latente. No processo 3-4 o refrigerante escoa através de um dispositivo de expansão, agora de

forma adiabática, tendo sua pressão reduzida de para . Nesse

processo de expansão parte do líquido evapora, originando uma mistura

bifásica na entrada do evaporador. Semelhante ao processo 2-3, que faz

28

uso de um trocador de calor, o processo 4-1 também o utiliza,

absorvendo calor do meio a ser refrigerado e o transferindo para o fluido

refrigerante de forma isobárica.

Conforme descrito por Zangari (1998), o funcionamento do

sistema de refrigeração em questão é caracterizado pelos níveis de

pressão de condensação ( ) e de evaporação ( ) e pelos graus de sub-

resfriamento ( ) e superaquecimento ( ), onde tais parâmetros

são funções do desempenho da cada um dos componentes, da

temperatura ambiente e da carga de fluido refrigerante.

1.3.1 Ciclo com trocador de calor TC–TCLS

Conforme descrito anteriormente, o presente estudo apresenta

fundamental relevância no perfil de consumo de energia brasileiro,

sendo possível ainda salientar que deveras significativo é o esforço

imposto por parte das empresas para reduzir os custos sem prejudicar a

performance de seus produtos. Assim sendo, uma das maneiras de

efetuar melhorias no coeficiente de desempenho dos refrigeradores,

(COP – do inglês Coefficient of performance), dado pela equação (1.1,

além de aprimorar seus componentes, é através do desenvolvimento de

ciclos alternativos de compressão mecânica de vapores (MELO; SILVA,

2010). Uma alternativa amplamente utilizada é o ciclo com trocador de

calor interno (iHX – do inglês internal heat exchanger), representado

pela Figura 7.

Figura 7 - Ciclo com iHX


O iHX tem por função realizar uma troca de calor entre o fluido

na saída do dispositivo de expansão e na saída do evaporador, conforme

SUB

SUP

29

ilustrado pela Figura 7. A função principal desse tipo de trocador é

prover um incremento no superaquecimento ( ) e no subresfriamento

( ) pertinentes ao ciclo, conforme demonstrado no diagrama P-h da

Figura 7. É possível fazer uma comparação rápida entre os diagramas P-

h das figuras 6 e 7, identificando a mudança pertinente nos ciclos.

(1.1)

Nas análises em questão, trataremos esse tipo de trocador como

trocador de calor tubo capilar-linha de sucção ( ). O referenciado

iHX tem a mesma função, mas foi apenas descrito qualitativamente. No

caso do trocador em questão, o tubo capilar é posto em contato com a

linha de sucção, formando um trocador contracorrente, o que impacta

diretamente no processo de expansão através do tubo capilar,

configurando um escoamento não-adiabático.

De acordo com Silva (2008), no trocador de calor TCLS, o

líquido à alta pressão e temperatura, proveniente do condensador troca

calor, ao longo do tubo capilar, com o vapor saturado ou superaquecido,

a baixa pressão e temperatura, proveniente do evaporador. Após o

processo de expansão, o fluido refrigerante apresenta-se na forma de

uma mistura bifásica, líquido-vapor. Segundo Zangari (1998), como a

troca de calor latente envolve quantidade bem maiores de energia

quando comparada a troca sensível, é conveniente que se tenha a menor

quantidade possível de vapor na entrada do evaporador, já que o mesmo

não contribui para a capacidade de refrigeração ( ) do sistema. Além

disso, conforme descrito por Zanotelli (2017) também garante que a

temperatura do fluido na sucção do compressor esteja próxima ao

ambiente, evitando a entrada de líquido no mesmo.

A equação (1.1 demonstra o coeficiente de desempenho

representando as duas principais medidas para um ciclo de compressão

de vapores, entretanto, é necessário realizar uma análise dessas duas

variáveis quando da aplicação de trocadores de calor TCLS. Zangari

(1998) afirma que o aumento na capacidade de refrigeração,

proporcionado pelo uso do TCLS trata-se de uma característica inerente

a qualquer sistema que o use, utilizando qualquer fluido refrigerante.

Todavia, vale aqui a ressalva de que, embora a capacidade de

refrigeração tenha seu aumento garantido, o mesmo pode não acontecer

com o , sendo essa uma medida fluido-dependente para o ciclo. Isso

acontece devido ao fato de que a condição na entrada do compressor

30

também é alterada, mudando os valores de para alguns fluidos

refrigerantes, e, conforme verificado por Domanski e Didian (1994), os

trocadores de calor TCLS são então indicados para sistemas que

utilizam HFC-134a, HC-600a e CFC-12, mas não para sistemas que

utilizam HCFC-22.

1.4 CONFIGURAÇÕES DE TC-TCLS

A troca de calor realizada entre o tubo capilar e a linha de sucção

pode ser feita de diferentes formas, envolvendo diferentes geometrias e

materiais, que influenciarão de forma a aumentar ou diminuir a

efetividade de troca, que é um alvo principal do trabalho em questão. As

diferentes configurações de TC-TCLS que serão abordadas nesse

trabalho podem ser verificadas na Figura 8, sendo que as três figuras

apresentam as configurações mais utilizadas em refrigeração doméstica

atualmente. Com a verificação da seção transversal das diferentes

configurações, é possível perceber que existem diferentes mecanismos

de transferência de calor associados, os quais serão representados pela

efetividade de cada trocador, avaliada individualmente de forma

experimental. Além disso, ainda é possível avaliar mudanças de material

e dimensionais nas configurações, explorando o ponto de vista da troca

de calor e a respectiva efetividade.

Figura 8 - Seção transversal das configurações de TC-TCLS

a) Lateral brasado b) Concêntrica c) Lateral–Fita

Fonte: Tabares, 2018

Como forma de ranquear cada uma das configurações citadas, é

preciso que se use uma métrica poderosa o suficiente, que possa

representar com clareza a diferença entre a troca de calor para cada

31

configuração, para tanto, será analisada a efetividade do trocador. Cabe

aqui a menção de que a efetividade do trocador de calor é fundamental

para o aumento do desempenho do sistema. A efetividade ( ) é

demonstrada da equação (1.2).

( )

( )

( ) ( )

(

1.2)

Basicamente, a efetividade de um trocador de calor qualquer pode

ser definida como a razão entre taxa de calor trocada e a taxa máxima de

transferência de calor possível. Como se pode perceber, as taxas de

capacidade térmica, representadas por , ao final da manipulação,

são consideradas iguais, deixando apenas como variáveis intrínsecas à

equação as temperaturas pertinentes ao trocador de calor. As

temperaturas e representam o fluido na entrada e saída da

linha de sucção do trocador de calor, enquanto .é a temperatura na

entrada do tubo capilar do trocador em questão. A equação (1.2) pode

ser considerada como uma aproximação termodinâmica da efetividade

do trocador de calor. Outro parâmetro importante que pode ser

determinado de forma experimental, é a quantidade de calor trocada no

trocador ( ), que pode ser obtida tanto pelo lado do tubo capilar,

quanto pelo lado da linha de sucção. Como o fluido estará, de forma

garantida, no mesmo estado na entrada e saída da linha de sucção,

optou-se por avaliar a troca de calor através da mesma, definindo

completamente os estados termodinâmicos pelas medições simultâneas

de temperatura e pressão. A equação (1.3) mostra a troca de calor

pertinente a uma configuração qualquer.

(

1.3)

Embora o calor trocado no capilar não seja uma variável

intrínseca somente ao trocador de calor e sim de um conjunto de

variáveis inerentes ao sistema, sua análise também se torna importante

na comparação dos trocadores mantendo-se as demais variáveis

constantes, como pressão de descarga, pressão de evaporação e outras

variáveis operacionais. O que se espera é que, ao combinar as medições

de efetividade e calor trocado dos trocadores, seja possível caracteriza-

32

los de forma concreta, qualificando-os de acordo com o incremento no

coeficiente de desempenho do ciclo padrão de refrigeração.

Apresentadas as configurações que serão abordadas no presente

estudo, será necessário agora, realizar análises pertinentes aos

mecanismos de troca de calor, para se realizar a devida avaliação do

ponto de vista térmico. No entanto, é necessário que se mantenha o foco

na função objetivo do estudo, que consiste em apontar um trocador

TCLS com custo e efetividade otimizados. O interesse das empresas em

promover incrementos na eficiência de seus produtos, servindo até como

diferencial estratégico é crescente e justificado nos perfis de consumo

energético e outros motivos na comentados, todavia, a corrida pela

redução de custos dentro da organização é verdadeiramente uma força

motriz, que fomenta o desenvolvimento de trabalhos de pesquisa

aprofundados, que apontem a direção correta em ambos os lados, tanto

da promoção de eficiência dos produtos, quanto da eficiência da

empresa, que implica diretamente na redução de custos.

1.5 OBJETIVOS

1.5.1 Objetivo Geral

Estabelecido o panorama estratégico da otimização do COP de

ciclos de refrigeração dentro de uma empresa fabricante de

refrigeradores e então a definição da real necessidade do

desenvolvimento tecnológico na área de trocadores de calor TCLS,

perante as necessidades da indústria, é necessário apontar com clareza, e

de forma justificada, a melhor configuração de TCI. Assim sendo, o

presente trabalho objetiva identificar experimentalmente a melhor

relação entre efetividade e custo de fabricação nas configurações

distintas de trocadores de calor interno de linha de sucção, em função

dos materiais e geometria.

1.5.2 Objetivos específicos

O presente trabalho tem como objetivos específicos:

Desenvolver, construir e validar uma bancada

experimental que seja capaz de criar e manter condições

de operação de sistemas reais, de forma que o TC-TCLS

possa ser avaliado em diferentes condições de operação;

Comparar os dados experimentais obtidos através da

bancada para cada amostra de trocador ensaiada

apontando os ganhos ou déficits na efetividade de troca

33

das 3 configurações testadas: lateral brasada, concêntrica

e lateral com fita Al.

Identificar as variáveis geométricas e de sistema mais

significativas no processo de transferência de calor,

comparando com as informações obtidas na literatura em

experimentações anteriores para que se possa entender o

mecanismo de troca, e assim, disponibilizar informações

sucintas a respeito do fenômeno experimentado;

Apontar qual é o trocador de calor mais eficiente do

ponto de vista da efetividade térmica e troca de calor.

1.6 ESTRUTURA

Esta monografia foi estruturada em algumas partes principais. A

primeira contém uma contextualização do tema, realizada de forma

sucinta nos capítulos 1 e 2, envolvendo uma breve caracterização dos

custos envolvidos nos TC-TCLS para a empresa fabricante de

refrigeradores. Os objetivos e justificativas estão contidos nessa

primeira parte, compreendendo algumas informações importantes

relacionadas aos trocadores de calor e sua aplicação na indústria, além

de uma análise sucinta do panorama energético atual. A segunda parte

consiste basicamente na metodologia empregada, que irá ter seu maior

foco na abordagem do aparato experimental, descrevendo-o de forma

detalhada, passando pelas partes de desenvolvimento do mesmo. Além

disso, ter-se-á uma breve caracterização teórica e experimental,

abordando o trocador de calor de ambos os vieses. A terceira e última

parte terá a apresentação dos resultados obtidos para as amostras

estudadas, trazendo análises pertinentes aos dados obtidos, além de

conclusões e sugestões para trabalhos futuros.

35

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 RETROSPECTIVA HISTÓRICA

Conforme demonstrado na seção CONFIGURAÇÕES DE TC-

TCLS, a geometria envolvida na fabricação de TC-TCLS é bastante

simples, no entanto, a fenomenologia envolvida no processo de

expansão tende a ser bastante complicada, A expansão em si, contém

diversos processos que serão enfatizados mais adiante, mas a adição da

transferência de calor imposta pelo contato com a linha de sucção torna

a análise ainda mais complicada, principalmente do ponto de vista

teórico. Dessa forma, é possível encontrar estudos dirigidos a essa área

desde os anos 40, envolvendo diversas pesquisas direcionadas ao estudo

do tubo capilar e processo de expansão.

De acordo com Zangari (1998), os tubos capilares são utilizados

em larga escala como dispositivo de expansão em refrigeradores. Esse

uso é justificado até hoje por diversas vantagens como facilidade de

fabricação, baixo custo, entre outras. A aplicação do tubo capilar teve

início na década de 20, quando o dióxido de enxofre era o principal

fluido refrigerante (SWART, 1946). Tal citação tem sua importância no

fato de que os tubos capilares e sua aplicação estão diretamente

correlacionados com o desenvolvimento na área de refrigeração,

sobretudo em fluidos refrigerantes. Zangari (1998) ainda afirma que a

aplicação de tubos capilares foi fortemente impulsionada em 1930. Esse

impulso se justificara através do advento da mudança na indústria da

refrigeração, sobretudo a introdução dos CFCs e de sistemas herméticos.

Alguns anos mais tarde, ainda na década de 40, Zangari (1998)

afirma que a utilização de tubos capilares bem como o uso de TC-TCLS

em sistemas de refrigeração se tornou uma prática habitual.

Swart (1946) foi o primeiro a realizar experimentos com um tubo

capilar e um trocador de calor TCLS.do tipo lateral. O autor propôs um

procedimento semi-empírico para a determinação do comprimento do

capilar. No entanto o foco do trabalho foi mostrar o incremento na

capacidade de refrigeração quando do emprego de um trocador de calor,

fazendo uso do fluido refrigerante CFC-12. Foram apresentados gráficos

da distribuição de pressão ao longo do tubo capilar, destacando os

regimes linear e exponencial, decorrentes das regiões de escoamento

líquido e bifásico.

Stabler (1946) apresentou diagramas para a seleção de tubos

capilares, também fazendo uso de um TC-TCLS, mas sem apresentar a

configuração geométrica adotada para o experimento. Mais tarde,

36

Bolstad e Jordan (1949) realizaram testes usando CFC-12, obtendo

resultados experimentais para trocadores laterais, fazendo uso de um

sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapores. Este

trabalho teve grande importância na época devido a abrangência das

variáveis envolvidas nos testes, sendo que os resultados circundaram

análises feitas a partir dos perfis de temperatura ao longo do tubo capilar

e o comportamento da vazão mássica, quando da sujeição do sistema as

diversas variáveis envolvidas.

Christensen e Jordan (1967) agregaram mais informações para a

configuração lateral de TC-TCLS usando CFC-12 como fluido

refrigerante. Esse trabalho teve destaque pela abrangência das variáveis

operacionais da bancada experimental, bem como subresfriamento,

temperaturas de condensação e evaporação e comprimento de entrada.

Apesar de realizar os testes com um sistema de refrigeração por

compressão mecânica de vapores, a bancada teve diferenciação de um

sistema real pelo fato de usar uma solução de baixo ponto de

solidificação para manter o contato entre o capilar e a linha de sucção,

fugindo da brasagem convencional. Os resultados experimentais foram

dispostos na forma de diagramas, representando através do

comportamento do fluxo mássico os efeitos da mudança de posição do

trocador de calor e das variáveis operacionais.

Pate (1982), realizou análises para o escoamento de fluido

refrigerante em tubos capilares adiabáticos e não-adiabáticos. Fazendo

uso de um aparato experimental do tipo blow down (Figura 9), foram

testadas configurações de TC-TCLS do tipo concêntrico e lateral

brasado.

37

Figura 9 - Esquema da bancada experimental do tipo blow down

Fonte: Pate, 1982

Um diferencial do trabalho de Pate foram as medições de pressão

ao longo do tubo capilar e de temperatura tanto na linha de sucção

quanto no tubo capilar. Apesar de significativo, o trabalho teve déficits

que devem ser levados em consideração. Os testes foram realizados com

ar escoando na linha de sucção, ao invés de fluido refrigerante, além

disso, o comprimento do trocador foi variado com a abertura e

fechamento das tomadas de pressões, o que pode ter sido uma fonte de

incertezas nos resultados. No entanto a contribuição desse trabalho pode

ser considerada efetiva, por ter gerado o primeiro modelo de previsão de

vazão mássica para tubos capilares não-adiabáticos, além disso, outro

ponto importante a se observar é o fato do autor afirmar que não

presenciou eventos de metaestabilidade ao longo dos testes, quando da

submissão do capilar e da linha de sucção à troca de calor.

Devido à complexidade fenomenológica envolvida no processo

de expansão em tubos capilares, aliados ainda a troca de calor, o reporte

de dados suficientemente confiáveis pode ser considerado deveras

dificultoso. Os trabalhos apresentados até aqui carregam as dificuldades

da época em ter medições satisfatórias do ponto de vista das incertezas.

Sendo assim, os trabalhos descritos, e mais outros tantos que não foram

mencionados tiveram grande importância no fomento ao

desenvolvimento do estudo nessa área, sobretudo ao acompanhamento

do desenvolvimento tecnológico das formas de se fazer frio. Assim, os dados estatísticos se tornam pouco usuais na atualidade, tanto pela

validade experimental quanto pelo fluido refrigerante CFC-12, que não é

mais utilizado.

38

2.2 TRABALHOS RECENTES

Os trabalhos descritos a partir de agora, não são tão recentes

quanto sugere o título, englobando 25 anos de pesquisa. No entanto, o

desenvolvimento tecnológico permitira maior veemência nos estudos

experimentais em tubos capilares e trocadores de calor TCLS, dando

espaço a análises mais confiáveis que fornecem suporte à indústria do

ramo de refrigeração. Começam aqui a aparecer estudos numérico

experimentais, que propõem modelos, que podem ser ajustados com

testes, contribuindo no correto dimensionamento do dispositivo de

expansão dos sistemas.

Dirik et. al (1994) conduziram o primeiro estudo numérico e

experimental, tendo como objetivo trocadores de calor2 do tipo

concêntrico. O aparato experimental consiste em um sistema de

refrigeração básico devidamente instrumentado, contendo controladores

para as variáveis operacionais. Foram realizados experimentos com

adiabáticos e não-adiabáticos, no aparato apresentado na Figura 10,

utilizando como fluido refrigerante HFC-134a e condições operacionais

próximas as de refrigeradores domésticos. Foram apresentados perfis de

pressão ao longo do tubo capilar além de um modelo numérico. Os

resultados tiveram bastante coerência com desvios dentro da faixa de

10% para a vazão mássica.

2 A menção de trocadores de calor aqui se refere exclusivamente aos TC-TCLS

39

Figura 10 - Aparato experimental de Dirik et. al

Fonte: Dirik et. al, (1994)

Nesse ponto da linha do tempo, é possível perceber que começam

a aparecer os fundamentos para a compreensão da influência do trocador

no sistema como um todo. A necessidade era realmente relacionar o

aumento no coeficiente de desempenho do sistema a partir do uso do

trocador de calor, levando em consideração um parâmetro que servisse

como métrica para qualificar o mesmo, no caso, a efetividade.

Domanski (1994) realizou um estudo aprofundado em trocadores de

calor do tipo SL/LL-Hex (do inglês: suction-line/liquid-line heat

exchanger), demonstrando os resultados na forma de um artigo. A

análise envolveu um ciclo conforme a Figura 11, onde a troca de calor

não é realizada em todo o capilar, mas sim antes do dispositivo de

expansão, e por isso configura uma troca apenas com líquido.

40

Figura 11 - Ciclo de refrigeração utilizado por Domanski

Fonte: Domanski, 1994

Frente ao ciclo apresentado foram feitas diversas análises

considerando os fluidos refrigerantes mais utilizado pela indústria. Um

ponto importante que pode ser observado no gráfico apresentado pela

figura 12 é aumento do COP com a efetividade do trocador, conforme já

mencionado, que para alguns fluidos, a partir de um determinado

patamar, passa a ser indiferente. Embora a análise tenha tido base

teórica, vinte e nove fluidos foram analisados, sendo que os mais

importantes tiveram destaque seguido de representação gráfica, onde é

possível perceber claramente a influência do trocador no coeficiente de

desempenho do ciclo.

Gonçalves (1994), conduziu estudos abordando o escoamento dos

refrigerantes R-12, R134a e R600a mediante o desenvolvimento de uma

bancada experimental. Cerca de 890 pontos experimentais foram

gerados com a finalidade de prover suporte ao desenvolvimento de

modelos computacionais, sendo analisado o comportamento da vazão

mássica para diversas condições operacionais e geométricas. Mais tarde,

Mendonça (1996), utilizou uma versão modificada da bancada de

Gonçalves (1994) para avaliar o desempenho de trocadores de calor do

tipo lateral brasado, usando R134a como fluido refrigerante. Uma

grande contribuição do trabalho de Mendonça (1996) foi demonstrar a baixa relevância de problemas mencionados por estudos anteriores,

como o de Pate (1984), relacionados ao uso de sistemas de refrigeração

por compressão mecânica de vapores. Ainda mais tarde, Zangari (1998)

fez uso do mesmo aparato experimental para avaliar trocadores de calor

do tipo concêntrico. Os trabalhos de Mendonça (1996) e Zangari (1998)

41

serviram de base para validação de um modelo proposto por Mezavilla

(1995) que havia reportado a informação de que o trocador brasado

demonstrara predominância sobre o concêntrico no que diz respeito a

eficiência térmica.

Figura 12 - Efeito direto da efetividade no COP do sistema

Fonte: Domanski, 1994

Partindo para os anos 2000, houveram estudos relacionando a

presença de metaestabilidade quando do uso de TC-TCLS num sistema

de refrigeração por compressão mecânica de vapores. Nesse contexto,

Chen e Lin (2001) conduziram estudos que apontaram a presença de

metaestabilidade quando da decorrência de déficits na troca de calor

imposta pelo TC-TCLS. Um ponto que se assimila com o presente

estudo, é que o trocador de calor foi envolvido com uma fita de

alumínio, conforme a figura 13 com a intenção de prover aumento na

troca de calor. No entanto, não foram comparadas diferentes amostra

sob o viés da efetividade térmica, sendo que o estudo se direcionou a

prever a relação da metaestabilidade com a troca de calor.

42

Figura 13 - Configuração utilizada por Chen e Lin

Fonte: Chen e Lin, 2001

Um trabalho importante foi realizado por Melo et. al (2002), que

fez uso dos dados experimentais de trocadores de calor do tipo

concêntrico obtidos por Zangari (1998), utilizando R-600a como fluido

refrigerante. O estudo teve como resultado uma correlação empírica para

a vazão mássica para expansão não-adiabática, além de outra correlação

para prever a temperatura de saída da linha de sucção do trocador.

Hermes (2008) trouxe diferentes modelagens para caracterização

de escoamento em tubos capilares adiabáticos e não-adiabáticos. Devido

a abordagem adotada ter possibilitado grande estabilidade numérica e

velocidade computacional, esse estudo proveu grande contribuição para

a modelagem de escoamento em tubos capilares. A temperatura de saída

da linha de sucção foi prevista de forma direta, através de uma

efetividade para o trocador de calor. A validade do modelo foi

comprovada no fato de que mais de 80% de um total de 1200 pontos

experimentais ficaram dentro de uma faixa de erro de 10%, quando

comparados as previsões. Mais adiante, Hermes (2010) apresentou uma

modelagem específica para escoamento não-adiabático em tubos

capilares, apresentando bons resultados através de uma metodologia

abrangente para previsão da vazão mássica com o uso do trocador.

Kaleem et. al (2009) avaliaram configurações de TC-TCLS

diferentes das convencionais, explorando geometrias distintas. Sua

abordagem consistiu em analisar duas amostras do tipo lateral brasada,

uma em helicoide e outra em espiral, avaliando os efeitos do

comprimento e diâmetro do tubo capilar, bem como o diâmetro do

helicoide usando R134a como fluido refrigerante. De forma semelhante,

Dubba e Kummar (2017) avaliaram as mesmas configurações de TC-

43

TCLS, apresentados na Figura 15, mas com R600a, e geometria

concêntrica.

Figura 14 - Bancada experimental utilizada por Gonçalves (1994),

Mendonça (1996) e Zangari (1998)

Fonte: Zangari (1998)

44

Figura 15 - Trocadores usados por Dubba e Kummar

Fonte: Dubba e Kummar (2017)

Os trabalhos apresentados possuem grande semelhança com o

trabalho proposto. No entanto o principal ponto que os difere é a faixa

adotada para os diâmetros de capilares, que no caso de Dubba e

Kummar (2017) foge à usada na indústria de refrigeradores domésticos

atual. No caso de um experimento desse porte, carregando demasiadas

variáveis operacionais e geométricas, conforme comentado já

anteriormente, não é possível apenas extrapolar os resultados, sem

contar a necessidade de pontos experimentais que validem a diferença

entre lateral brasado, concêntrico e fita Al.

Embora a literatura possua vasta abrangência no estudo em tubos

capilares e consequentemente TC-TCLS, foram evidenciadas bastantes

restrições em vários modelos apresentados na revisão bibliográfica.

Além disso, são escassos os dados que comparam as configurações sob

o viés da fabricação, ademais sobre os custos envolvidos. As

configurações do tipo lateral brasado e concêntrico foram bastante

estudadas, mas nunca postas de forma comparativa na mesma bancada

experimental, com uma configuração com fita Al, que promete ser

promissora quanto aos custos para a indústria. Todavia, não se sabe ao

certo o quão distantes se situam as configurações fita Al, brasada e

concêntrica sob a métrica da efetividade térmica, se justificando o

estudo em questão, que visa trazer respostas concretas às duvidas

restantes sobre o trade-off da redução de custos e promoção da

eficiência dos produtos.

45

3 METODOLOGIA

A maioria absoluta dos trabalhos desenvolvidos contempla as

configurações de trocador de calor TCLS do tipo concêntrico e lateral

brasado, sendo que já fora comprovada no capítulo anterior a lacuna

existente nos dados de trocadores de calor com fita Al. Dessa forma, foi

necessário criar e empregar uma metodologia suficientemente capaz de

comparar os trocadores considerando a mesma base.

Inicialmente as primeira proposta para se comparar os trocadores

foi manter as variáveis geométricas constantes, diâmetro do capilar,

diâmetro da linha de sucção, comprimento do capilar, comprimento de

troca e de entrada e variar apenas a forma do contato, mapeando-as

através do uso de uma matriz experimental, que se aproximasse das

condições reais de operação, sem desviar das normas pertinentes. Mais

além, uma outra proposta fora concebida, que seria a manutenção de

todas as variáveis, alterando apenas o comprimento de troca. No

entanto, essa segunda proposta tornou-se dificultosa pelo número de

amostras que teriam que ser desenvolvidas, e com a finalidade de

diminuir as amostras necessárias, foi necessário focar as atenções na

primeira proposta.

Para que esses requisitos de manutenção das variáveis pudessem

ser cumpridos, várias precauções tiveram que ser tomadas. A primeira

delas foi o tomar o devido cuidado para pegar o tubo capilar da mesma

bobina, garantindo assim que o mesmo processo de fabricação fosse

empregado para todas as amostras, com o intuito de não haver variações

de rugosidade, que mais tarde poderiam estar afetando nos resultados

esperados de vazão mássica para a bancada.

Apesar da informação do diâmetro dos capilares estar em mãos,

já se possui ciência de que esse parâmetro é que possui maior influência

na vazão do sistema, que é fixada pelo par tubo capilar-compressor.

Nesse contexto foram usados dois métodos diferentes para a medição do

diâmetro dos capilares. O primeiro método consistiu em fazer uso da

equação de Kipp e Schmidt (1961), que consiste basicamente em

determinar o diâmetro de um tubo capilar (ou penas um tubo de pequeno

diâmetro) de acordo com a vazão obtida para uma pressão de entrada

estabelecida, e o segundo foi feito através de análise e processamento de

imagens provenientes de um microscópio, tendo como base a medição

do diâmetro externo dos capilares. Detalhes dessa medição podem ser

encontrados no apêndice A.

O objetivo principal é a obtenção de uma curva de efetividade vs

comprimento para cada amostra apontando o incremento no

46

comprimento necessário para suprir o déficit na efetividade do trocador

quando comparado a seu concorrente.

Para que seja viabilizada a obtenção dos resultados os quais se

deseja alcançar, é necessário o desenvolvimento de diversas etapas, que

forma cumpridas ao longo do tempo de duração do projeto, conforme

segue:

1. Projeto e construção de uma bancada experimental capaz de

controlar as condições de operação nas entradas do trocador de

calor TCLS, tais como pressão e temperatura. Além disso, o

aparato precisa cumprir uma série de requisitos para que os

pontos experimentais sejam validos e fidedignos à posteriores

análises, tais como a não presença de bolhas na entrada do tubo

capilar, a condição de atendimento de regime permanente, entre

outros requisitos predispostos em trabalhos anteriores. Grande

parte do tempo hábil e esforço foram dedicados na construção da

bancada experimental, que foi o ponto chave do trabalho em

questão.

2. Avaliação experimental da efetividade térmica de cada trocador,

sujeito as condições dispostas na matriz experimental que será

descrito com mais detalhes no decorrer do texto.

3. Tratamento dos dados obtidos experimentalmente nos ensaios,

para obtenção de parâmetros comparativos, capazes de

representar, de forma sucinta, o trocador de calor mais eficiente

do ponto de vista do desempenho térmico e do custo de

fabricação.

4. Reporte das informações pertinentes aos resultados, em forma

gráfica ou textual, para compreensão do fenômeno, e comparação

direta dos trocadores.

Ainda se faz necessária a observação da taxa da transferência de

calor, visto que a mesma altera a vazão mássica do sistema, outrora

fixada apenas pelo tubo capilar e compressor. Essa alteração na vazão

terá efeitos na efetividade que devem ser considerados. Em outras

palavras um TC-TCLS pode apresentar uma maior troca de calor,

mesmo tendo uma efetividade menor. Dessa forma, essa variável também precisa ser analisada em conjunto com as demais.

A matriz de testes utilizada nesse trabalho foi proveniente de um

projeto fatorial, desenvolvido para um trabalho de mestrado na mesma

47

bancada. Na Tabela 1 é possível observar as condições que serão

variadas ao longo da realização dos ensaios para cada amostra testada.

Tabela 1 - Matriz de testes experimentais

Nº teste [-] [ºC] [ºC] [ºC] [ºC]

1 50 -10 10 10

2 50 -10 5 10

3 50 -25 10 10

4 50 -25 5 10

5 50 -25 5 5

6 42,5 -17,5 7,5 7,5

7 35 -25 10 10

8 35 -25 5 5

9 35 -25 5 10

10 35 -10 10 10

11 35 -10 5 10

Fonte: Próprio autor

A matriz experimental levou em consideração vários critérios

relevantes para que pudessem ser varridos os efeitos desejados. As

condições das temperaturas de condensação e evaporação foram

escolhidas com base nas condições de operação de refrigeradores com

ciclo de compressão mecânica de vapores. O subresfriamento foi

avaliado em dois níveis para cada condição de pressão, sendo essa uma

variável importante no escoamento do tubo capilar. Todavia, apenas

para poucas condições o superaquecimento foi variado em dois níveis,

sendo que fora constatada a fraca influência do superaquecimento na

vazão ou efetividade do trocador.

49

4 CARACTERIZAÇAO TEÓRICA

É comum na engenharia existirem situações onde seja necessário

realizar troca de calor entre dois fluidos a temperaturas diferentes, seja

para reter ou dissipar calor, através de uma parede sólida. Segundo

Incropera (2008), o trocador de calor pode ser denominado como o

elemento fundamental para realizar a referida troca de calor, sendo que

suas aplicações específicas podem ser encontradas e áreas distintas,

como condicionamento de ar, produção de potência, recuperação de

calor, entre outros.

Geralmente os trocadores de calor são classificados de acordo

com sua construção e configuração do escoamento. A exemplo podemos

ter trocadores do tipo paralelo ou concêntrico, que podem abordar

escoamentos paralelos ou contracorrente, bem como os trocadores

abordados no objeto do presente trabalho.

É importante conhecer a equação governante para trocadores de

calor, onde é o calor trocado, representa o coeficiente global de

transferência de calor e a diferença de temperaturas.

(4.1)

Com respeito aos trocadores de calor com escoamento paralelo, é

possível afirmar que os mesmos começam com uma diferença de

temperaturas grande, que vai diminuindo ao longo do comprimento . A

figura 16 representa esse tipo de trocador, com os perfis de temperatura

em função do comprimento do trocador.

Figura 16 - Trocador de calor com escoamento paralelo

Fonte: Incropera, 2008

50

De forma contrária ao trocador de calor com escoamento

paralelo, segundo Incropera (2008) essa configuração proporciona a

transferência de calor entre as parcelas mais quentes dos dois fluidos em

uma extremidade bem como nas parcelas mais frias na outra

extremidade. No caso desse tipo de trocador, a saída do fluido frio pode

ser mais quente que a saída do fluido quente, diferente do trocador com

escoamento paralelo. A figura abaixo demonstra o perfil de temperaturas

para um trocador de calor contracorrente padrão.

Figura 17 - Trocador de calor com escoamento contracorrente

Fonte: Incropera, 2008

Existe uma gama enorme de trocadores de calor, sendo então

necessária uma métrica para qualificar os mesmos. Alguns trocadores

são selecionados por motivos construtivos, ou por disponibilidade de

fluidos para escoamento paralelo ou contracorrente. No entanto o

parâmetro já comentado no texto que qualifica os trocadores é

denominado como efetividade. A efetividade ( ) do trocador nada mais

é que uma razão entre a taxa de transferência de calor efetivamente

trocada e a máxima taxa de transferência de calor possível (teórica), e

pode ser expressa por:

(4.2)

51

A partir da equação 4.2 é possível encontrar a efetividade para o

TC-TCLS, tendo em mente as variáveis observadas na figura 18.

Figura 18 - Representação esquemática do TC-TCLS


Conforme segue, a efetividade pode ser expressa por:

( ) ( )

( ) ( )

(4.3)

Onde ( ) representa a taxa de capacidade térmica, que

para o caso do trocador de calor é igual a ( ) . As temperaturas

usam os sub índices para linha de sucção e para o tubo capilar,

além de para entrada no trocador e para a saída. É importante

perceber que na equação 4.3, a efetividade está dependendo somente das

temperaturas, que podem ser obtidas de forma direta,

experimentalmente. Entretanto e necessário fazer a menção de que a

equação 4.3 é uma aproximação para a efetividade do trocador.

Uma outra forma para se obter o valor da efetividade de um

trocador de calor é o método NUT (Número de Unidades de

Transferência), sendo este um parâmetro adimensional, amplamente

utilizado na caracterização de trocadores de calor. O NUT pode ser

expresso como:

(4.4)

Onde é a menor taxa de capacidade térmica entre as

correntes quente e fria do trocador e UA é o coeficiente global de

transferência de calor do trocador. De acordo com Incropera (2008), a

efetividade de um trocador contracorrente pode ser expressa através da

equação 4.5.

52

[ ]

[ ] (4.5)

Na equação 4.5 representa a razão entre as taxas de

transferência máxima e mínima entre as correntes quente e fria do

trocador contracorrente, e é definida como:

(4.6)

Plotando a equação 4.5 de efetividade em função do NUT, é

possível perceber uma faixa onde a efetividade do trocador estará

contida. Essa faixa impõe limites que serão necessariamente obedecidos

para qualquer trocador de calor contracorrente. A figura representa essa

região.

Figura 19 - Região de efetividade para um trocador de calor

contracorrente

Fonte: Adaptado de Tabares, 2018

Tratando agora da transferência de calor intrínseca ao TC-TCLS ,

é necessário observar as variáveis mais importantes nesse processo.

Mendonça (1996) verificou importância no comprimento de entrada

( ), que, nos sistemas reais em geral, troca calor com o ambiente. O

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1 2 3 4 5 6

Efe

tivi

dad

ade

NTU

Cr = 1

Cr = 0

53

segmento de contato entre o tubo capilar e linha de sucção é chamado de

comprimento de troca de calor ( ). Para que não houvesse

interferência do meio, o comprimento de entrada e todo o capilar foram

mantidos isolados, através do uso de um bloco de poliestireno. A figura

20 demonstra as variáveis geométricas comentadas.

Figura 20 - Descrição do TC-TCLS: (a) Concêntrico; (b) Lateral

Fonte: Adaptado de Hermes et. al, 2008b

Outras variáveis pertinentes à troca de calor no TC-TCLS foram

apontadas em trabalhos anteriores por Bittle (1994), Mendonça (1996) e

Zangari (1998), conforme segue.

Temperatura de condensação (Pressão de condensação);

Temperatura de evaporação (Pressão de evaporação);

Grau de subresfriamento, definindo a entrada do capilar

Grau de superaquecimento, definindo a entrada da linha de

sucção

Diâmetro interno do tubo capilar

Comprimento do tubo capilar

Comprimento de entrada adiabático

Comprimento de troca de calor

Diâmetro interno da linha de sucção

Vazão mássica

No capítulo de resultados, serão apresentadas as sensibilidades

pertinentes às principais variáveis, com seu efetivo na vazão mássica e

efetividade.

55

5 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL

5.1 AMOSTRAS DOS TC-TCLS ABORDADAS

As três geometrias que serão estudadas nesse trabalho já foram

discutidas anteriormente e apresentadas pela Figura 8 - Seção

transversal das configurações de TC-TCLS). A primeira amostra é a

lateral brasada que já foi amplamente acordada em outros estudos.

Todas as amostras utilizaram tubos capilares feito em cobre, de modo

que fosse garantido o mesmo processo de fabricação, além do que as

linhas de sucção também foram de cobre.

O contato que determina o comprimento nessa primeira amostra é

feito por intermédio de um procedimento de brasagem, assegurando

uma parcela maior de transferência de calor por condução, quando

comparada a outras amostras. Apesar do material utilizado na brasagem

ser um bom condutor, a mesma apresenta pequenas falhas de processo,

que não estão sendo consideradas no estudo. Foi necessário bastante

cuidado com essa amostra para que o contato não fosse prejudicado na

instalação da mesma na bancada experimental.

A segunda amostra estudada foi a configuração concêntrica.

Idealmente a Figura 8 representa a seção transversa da mesma. No

entanto, essa forma não é obedecida num trocador real, tendo desvios do

tubo capilar, internamente, ao longo do comprimento de troca, isso

devido ao oneroso processo de fabricação. No entanto em estudos

anteriores, o efeito dessa variância de geometria foi desconsiderado por

não causar grande impacto na efetividade e/ou troca de calor. No caso

do capilar entrar em contato com a parede da linha de sucção, isso

provavelmente incrementaria a efetividade, mas de forma mínima.

No caso da amostra do tipo lateral fita Al, um estudo mais

aprofundado foi necessário para entender o mecanismo de troca de

calor, que envolvesse a transferência de calor pelo contato entre os tubos

e pela própria fita, sendo necessária a consideração da resistência

térmica de contato existente no contato dos tubos. Um trabalho de

mestrado, desenvolvido em paralelo por Tabares (2018) analisou esses

efeitos, constatando algumas variáveis importantes no processo de

transferência de calor nesse tipo de configuração. Tabares (2018) fez

uso da teoria de Hertz3 para avaliar a pressão necessária para geração do

contato entre os tubos, conforme demonstrado pela figura 21.

3 Heinrich Hertz, pioneiro na solução de problemas de deformação elástica entre

superfícies parabólicas em contato (UDESC, 2018)

56

Figura 21 - Contato entre o tubo capilar e alinha de sucção

a)Contato entre tubos

b)Raio de contato


A análise do comportamento da pressão vs indentação pode ser

verificada na figura.

Figura 22 - Pressão vs indentação


Abaixo, é apresentada uma tabela com os materiais, e

informações dos parâmetros geométricos pertinentes.

Foram testadas 6 amostras para o presente trabalho, sendo que as

amostras 4, 5 e 6 são correspondentes ao efeito a configuração dentro na

efetividade e troca de calor, enquanto as amostras 1, 2 e 3 servirão de

base para o avaliar o efeito do comprimento de troca ( ).

Tabela 2 - Parâmetros geométricos das configurações

# TC-TCLS Material Material Diâm. Comp. Diam.

0 0,00005 0,0001 0,00015 0,00020

5

10

15

20

d [m]

po [P

a]

57

Capilar Sucção Interno

Capilar

HEX Externo

Sucção

[mm] [mm] [mm]

1 Fita Al Cu Cu 0,761 1500 6,35

2 Fita Al Cu Cu 0,761 1100 6,35

3 Fita Al Cu Cu 0,761 1900 6,35

4 Concêntrico Cu Cu 0,764 1500 6,35

5 Brasado Cu Cu 0,742 1500 6,35

6 Fita Al Cu Cu 0,760 1500 6,35


5.2 BANCADA EXPERIMENTAL

O presente trabalho experimental é embasado no

desenvolvimento de uma bancada experimental, que, fazendo uso de

sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapores, gera

condições adequadas para a realização dos testes experimentais nas

amostras de TC-TCLS. Tais condições foram aproximadas ao máximo

de condições reais de sistemas de refrigeração domésticos, para que

fosse possível a realização dos testes. Além disso, a bancada tem por

objetivo controlar as variáveis operacionais de acordo com a matriz de

testes, como , , pressão de condensação e evaporação, entre

outros.

O aparato torna viável a realização de testes de amostras de TC-

TCLS de diferentes comprimentos de entrada e troca, além dos

diâmetros de sucção e tubo capilar. Na figura 23 é apresentada uma

visão geral da bancada experimental, evidenciando o painel de controle,

a interface e o isolamento, que fica no entorno da amostra a ser testada.

A figura 24 apresenta o circuito de refrigeração da bancada, de forma

apresentável para que seja facilitada a compreensão do sistema como um

todo.

Basicamente, a função principal do aparato é controlar as

condições de entrada do trocador, e medir as condições de saída. Dessa

forma, para a entrada do tubo capilar, é necessário que o estado

termodinâmico esteja completamente definido e dentro das condições

especificadas pela matriz experimental. O mesmo é realizado para a entrada da linha de sucção, onde temos o refrigerante no estado de

vapor. Tais condições são garantidas com o auxílio de controles das

pressões de condensação e evaporação, bem com os graus de

subresfriamento e superaquecimento.

58

Começando com a descrição da bancada e seus componentes principais,

o fluido é bombeado pelo par de compressores (C) Embraco, com

capacidade variável (VCC). Foram usados dois compressores para que

se pudesse atingir os níveis desejados de pressão de evaporação, já que a

restrição é fixa e imposta pelo tubo capilar contido na amostra, o qual

não permite modificações.

Figura 23 - Bancada experimental TC-TCLS


Logo após os compressores temos os separadores de óleo (SO),

um para cada compressor, e 3 filtros coalescentes em série que não

aprecem na figura. Ambos os componentes têm a função de evitar a

circulação de óleo através do sistema, sobretudo na amostra de TC-

TCLS a ser ensaiada. Após os filtros o fluido segue em direção ao

condensador, onde rejeitará calor ao ambiente, através do ar proveniente

de um ventilador, acoplado a uma serpentina. O controle será explicado

mais adiante, mas vale adiantar que o par ventilador-resistência

condiciona o ar de que entra em contato com a serpentina, sendo

possível o controle das condições da temperatura do ar para onde será

rejeitado o calor proveniente do processo de condensação.

59

Figura 24 - Representação da bancada experimental


O controle de subresfriamento é possível com o próximo

componente, que se trata de um pós-resfriador (PR). Esse componente

faz uso de um fluido secundário, no caso água, para diminuir a

temperatura do líquido proveniente do condensador, e garantir que o

estado do fluido na entrada do capilar seja exclusivamente líquido. Após

o pós-resfriador, está disposto o medidor de vazão mássica (MVM) do

tipo coriolis. Esse medidor tem suma importância foi devidamente

calibrado para que pudesse fornecer valores devidamente confiáveis.

Ainda para o ajuste fino da temperatura de entrada do tubo capilar é

usado um pré-aquecedor (PA), que se trata de uma resistência enrolada

ao redor do tubo de cobre, antes de entrada do tubo capilar.

Ainda a montante do tubo capilar temos o visor de líquido (VL)

que tem sua função descrita pelo nome. Este serve apenas como um

dispositivo de verificação, que foi usado nas etapas de validação do

aparato, para garantir a ausência de bolhas na entrada do tubo capilar.

Após o visor o fluido entra no tubo capilar (seção de teste) e é

expandido até a pressão de evaporação ( ), passando pelo tubo capilar.

Ao sair da seção de testes o fluido e encaminhado ao evaporador, onde

ocorrerá a mudança de estado, e subsequentemente, será feito o controle

do superaquecimento, garantindo a temperatura de entrada na linha de

sucção. O evaporador usado nessa bancada tem uma especificidade por

60

não necessitar de remoção de condensado, já que o mesmo fica

enclausurado dentro de uma caixa de madeira, recebendo uma taxa de

transferência de calor apenas da resistência, sendo essa uma estratégia

de controle.

Figura 25 - Evaporador seco

a)Evaporador aberto b)Evaporador Fechado


Na saída do evaporador o fluido tem dois caminhos possíveis que

podem ser controlados por registros. O caminho inferior na figura é para

o caso da ocorrência de testes adiabáticos, sendo apenas uma

versatilidade da bancada. No entanto, todos os testes abordados foram

realizados com o fluido se encaminhado para a seção de testes, trocando

calor com o fluido proveniente do tubo capilar em escoamento

contracorrente. Após a saída da linha de sucção, e agora com um

incremento no superaquecimento devida a absorção de calor ao longo do

TC-TCLS, o fluido se encaminha para a sucção do compressor, onde o

ciclo tem seu reinício.

5.3 INTRUMENTAÇÃO

A instrumentação da bancada possui basicamente 3 módulos

principais:

61

Sistema de medição: compreendido pelos termopares,

transdutores de pressão e medidor de vazão mássica,

juntamente com o sistema de aquisição;

Sistema de controle e acionamento: compreende o quadro

elétrico, bem como os circuitos de comando e potência, os

componentes do quadro elétrico como fontes de tensão, relés e

contatores e o por fim os atuadores, que são o ventilador, as

resistências e o próprio compressor variável;

Sistema de monitoramento e supervisão: aqui está localizado o

programa de interface com o usuário, que fora desenvolvido

pelo próprio autor.

O sistema de medição é apenas uma forma de condensar as

informações de todas as medições que são realizadas na bancada. Ao

varrer novamente a Figura 24, e possível descrever de forma detalhada

as medições envolvidas.

Começando pelos compressores novamente, a primeira medição

disposta na bancada é uma medição de pressão, realizada através de um

transdutor, antes do fluido passar pelo condensador e pós resfriador.

Essa medição não tem importância nas análises e serve apenas como

parâmetro operacional para o operador da bancada, que deve monitorá-

la com o intuito de perceber a perda de carga envolvida desde a saída do

compressor até a entrada do tubo capilar. Além disso essa medição

auxilia no processo de testes de vazamento, que deve ser realizado

sempre que feita uma troca de amostras.

Logo após o condensador é possível encontrar o transdutor de

vazão mássica. Esse dispositivo faz uso do efeito coriolis para

transformar a grandeza mecânica (vazão) em uma grandeza elétrica,

para que esta possa ser enviada ao sistema de aquisição, e então

registrada nas devidas unidades. Como unidade de vazão foi utilizado

[kg/h]. Esse medidor permite aferir vazões de fluidos no estado líquido e

gasoso, mas não bifásico, dessa forma, a disposição do mesmo na

bancada foi para garantir que não houvessem problemas de misturas

bifásicas passando pelo transdutor de vazão. Além disso, o fabricante

traz dados pertinentes a exatidão do mesmo, comprovando o fato de que

essa grandeza apresenta valores mais confiáveis quando na medição de

líquido.

Mais adiante é possível ver o início da seção de testes. Tanto as

entradas, quanto as saídas da seção, que são as medições mais

importantes desse trabalho, receberam tratamento especial, sobretudo

com cuidados específicos com isolamento e outros fatores pertinentes na

62

contribuição para a medição mais exata da grandeza abordada. A figura

26, logo abaixo, mostra uma representação simples do tipo de conexão

utilizada, atentando para o fato de que o termopar utilizado foi do tipo

sonda, além de ser posto em contracorrente com escoamento, conforme

instruções do corpo técnico e trabalhos anteriores. Apesar de a figura

não apresentar essa informação, foi utilizado um termopar de superfície

em cima da conexão, onde era possível monitorar as temperaturas de

entrada e saída do trocador de forma simultânea com os termopares do

tipo sonda. Essa alternativa servira de base de comparação para a

percepção de possíveis erros. No entanto, as temperaturas registradas

foram do termopar tipo sonda.

Figura 26 - Representação das conexões de entrada e saída usadas na

seção de testes


Além de serem o objetivo principal desse trabalho, as medições

de temperatura e pressão na seção de testes impunham os inputs para os

controles da bancada. As pressões foram controladas sempre de acordo

com a leitura dessas variáveis e entrada, bem como as temperaturas nas

entradas do trocador. Dessa forma, 4 medições de pressão e temperatura

foram feitas ao longo dos ensaios, utilizando transdutores de pressão e

termopares conforme ilustração da figura 26.

O apêndice A traz especificações de todos os equipamentos

utilizados, enquanto no apêndice B é possível verificar informações

técnicas pertinentes aos sistemas de medição e controle descritos.

5.4 METODOLOGIA DE CONTROLE

Os parâmetros que necessitam atenção especial quanto ao

controle são as condições de entrada do trocador de calor. Assim sendo,

63

o controle deve prover condições satisfatórias para a matriz de testes, e

que ainda atendam um determinado desvio padrão. O regime

permanente foi estabelecido para a vazão quando o desvio padrão dessa

variável atingia valores abaixo de 0,02 . A vazão foi o parâmetro

mais forte analisado para o regime permanente, mas nenhum teste foi

gravado sem que as demais variáveis estivessem controladas também.

Figura 27 - Representação sistemática dos controles da bancada


Para o controle da entrada do tubo capilar no dispositivo de

expansão, é necessário que se tenha a temperatura de condensação e o

suresfriamento devidamente ajustados. O controle da foi feito através

do controle da pressão de condensação , que fez uso do ventilar e a da

resistência acoplada ao mesmo. Em geral, em sistemas de refrigeração

reais, temperatura de condensação é ajustada sempre com uma diferença

fixa entre a ambiente. No caso da bancada, a temperatura ambiente é

controlada, sendo essa o atuador que controla a pressão de alta no

evaporador. O controle de pressão de alta apresentou grande capacidade,

conseguindo alterar a pressão em até 2,5 bar acima da pressão atingida

pelo compressor sem o uso do aparato de controle.

Além da , foi necessário controlar o grau de resfriamento

( ). O controle dessa variável foi feito por intermédio de dois

atuadores acoplados. Um deles é um trocador de calor contracorrente,

que faz uso de água como fluido secundário, sendo que a temperatura da

64

água pôde ser controlada através de um banho termostático. Com a

temperatura da água controlada e uma vazão suficientemente grande, foi

possível garantir que o fluido atingisse um determinado patamar de

subresfriamento, de acordo com a temperatura escolhida no banho. Para

refinar o controle e deixar a temperatura do líquido na entrada do capilar

com o grau de desejado, foi utilizada uma resistência enrolada

através do tubo, acionada por um relé de ângulo de fase. Um controle

PID foi imposto sobre o relé da mesma, garantindo assim a manutenção

da temperatura em regime permanente.

O controle das condições de entrada da linha sucção no trocador

fizeram uso de controles PID, com o auxílio de relés, de forma similar

ao controla da pressão de condensação. Primeiramente o controle da

pressão de evaporação ( ) foi relativamente simples. Sendo que o

compressor possui comunicação com o sistema de aquisição através de

uma porta de comunicação serial, um controle PID foi imposto no

mesmo, sendo que a variável de controle e o atuador a rotação do

compressor. A etapa de validação desse controle foi vagarosa, mas

eficaz, sendo que como parte da estratégia de controle, um dos

compressores foi mantido em rotação constante, que era ajustada apenas

no início do teste e o outro compressor podia varia dentro de seus

limites, de 1600 a 4500 rpm. O controle do , ou ainda, da

temperatura de entrada da linha de sucção, foi realizado por intermédio

de dois atuadores. Um deles foi uma resistência fixa, dentro do

evaporador seco demonstrado na Figura 25 , à qual recebia uma carga

correspondente ao necessário para o fluido chegar ao estado de vapor

saturado. Após alguns testes esse valor da potência dissipada para o

evaporador era setado de acordo com o patamar de vazão do teste em

questão, dado que possuía dependência direta com a vazão. Para que

fosse possível obter o grau de desejado, fez-se uso de uma

resistência enrolada ao redor do tubo, de forma similar a utilizada para o

controle do , de modo a prover um ajuste fino no controle da

temperatura de sucção.

Todos os parâmetros do controle foram configurados através do

programa desenvolvido pelo próprio autor, sob a plataforma do

LabView®. A figura abaixo mostra a interface inicial do programa de

monitoramento e controle.

65

Figura 28 - Programa de monitoramento e controle da bancada

experimental


5.5 SEÇÃO DE TESTES

A seção de testes é o ponto chave do trabalho experimental

abordado, onde foram tomados diversos cuidados operacionais para a

garantia e veracidade dos dados lidos pela bancada.

Figura 29 - Representação da seção de testes


A construção da seção foi feita de tal forma que se garantisse a

retitude do capilar, conforme demonstrado na Figura 29, sendo essa uma

premissa necessária para a realização dos testes. Além disso os

comprimentos de troca ( ) e de entrada ( ) podem ser variados,

sendo que o comprimento máximo permitido entre a tomada e entrada e

saída do capilar é de 3 metros. A figura 28 é uma representação de uma

66

vista superior da bancada, sendo que o fluxo no tubo capilar se dá da

direita para a esquerda. As conexões foram feitas de modo a facilitar a

substituição de amostras, prevendo inclusive trabalhos futuros.

Zangari (1998) e Mendonça (1996) deixaram claro em seus

trabalhos a importância das medições da temperatura de entrada e saída

da linha de sucção. Tal preocupação se justificara pelo fato da

ocorrência de transferência de calor indesejada, entre o termopar sonda e

a conexão roscada. Segundo os autores, essa transferência poderia

invalidar os resultados, por conta das medições errôneas. De modo a

suprir essa falha, foram aplicadas adaptações das conexões

desenvolvidas nos referidos trabalhos, que isolam o termopar sonda da

conexão, prevenindo qualquer transferência de calor por condução.

O procedimento de substituição consiste em algumas etapas

operacionais básicas que devem ser obedecidas. Em primeiro lugar

deve-se fechar as válvulas que isolam a amostra, juntamente com o

evaporador, de todo o restante da bancada. Após o fechamento das

válvulas é necessário expurgar o fluido refrigerante, e então é possível a

retirada da amostra já testada. Deve-se agora conectar a próxima

amostra, que já deve estar com as conexões preparadas, tanto no capilar

quanto na linha de sucção, de modo que a mesma se encaixe na bancada,

além disso, deve-se assegurar que a amostra esteja limpa internamente,

sendo que o processo recomendado é uma limpeza com nitrogênio e

141b. Após a conexão da amostra na bancada, bem como o aperto das

conexões pertinentes, é necessário que se carregue a bancada com

nitrogênio, até no máximo 10bar, prevenindo danos aos transdutores de

pressão. Após a carga de nitrogênio é possível isolar o tubo capilar da

linha de sucção através do fechamento de válvulas. Com as válvulas

fechadas, é necessário realizar o monitoramento das pressões e

temperaturas através da interface no LabView®. Recomenda-se o

monitoramento durante 24 horas, para garantia da ausência de

vazamentos, haja vista que a infiltração de não condensáveis condena o

teste, invalidando-o. Após confirmação obtida com o teste de

vazamento, é necessário realizar o procedimento de vácuo, sendo que,

caso tenha sido removido apenas o fluido do evaporador e do TC-TCLS,

conforme recomendado, o tempo de vácuo pode ser reduzido, mas

mantendo como critério de parada a pressão obtida no vacuômetro. Caso

a bancada tenha sido inteiramente evacuada, como precaução de

infiltração nos demais componentes, o vácuo tende a ser mais vagaroso,

necessitando mais tempo para remover o fluido contido na bancada.

Quanto ao isolamento na seção de testes, o isolante utilizado foi

poliestireno expandido (EPS) de alta densidade, com duas placas

67

sobrepostas, contendo o trocador no centro das mesmas, conforme

indicado na Figura 30. Uma manda térmica de espuma elastomérica foi

usada de forma auxiliar para evitar bolsões de ar que pudessem

eventualmente ser formados entre a placa de poliestireno e o trocador, já

que ambos são rígidos. Além da manta permitir um melhor encaixe do

trocador dentro do isolamento, a mesma tem a função de tornar a

bancada mais versátil, dinamizando o processo de substituição de

amostra.

Figura 30 - Seção transversal do isolamento da seção de testes


69

6 RESULTADOS

Um conjunto de testes experimentais foi gerado na bancada para

que fosse possível realizar análises pertinentes as amostras testadas. As

métricas analisadas para qualificar os trocadores de calor TCLS foram

basicamente a efetividade ( ) e a taxa de transferência de calor ( ),

calculada através do balanço de energia na linha de sucção, que não

possui troca de fase. A equação demonstra o cálculo do calor trocado. A

intenção é manter as demais variáveis constantes para averiguar apenas

efeitos isolados de contato entre o tubo capilar e alinha de sucção e de

comprimento de troca ( ).

(6.1)

Os resultados comparativos entre as configurações podem ser

visualizados através do gráfico da figura 31, onde claramente é possível

observar a predominância da configuração brasada, seguida da

concêntrica e então lateral com fita. Conforme já comentado, as

configurações dispostas no gráfico diferem única e exclusivamente na

forma do contato, possuindo as demais geometrias idênticas, bem como

as demais variáveis operacionais.

Diferente do esperado, as configurações com fita apresentaram

menor efetividade. Isso pode ter ocorrido pelo fato de que o contato não

fora devidamente garantido, já no processo de fabricação, pois conforme

a Figura 22 é necessária uma determinada pressão para se conseguir

uma endentação satisfatória no que diz respeito a condução de calor por

condução.

Após as análises é possível afirmar então que a configuração

brasada, mesmo possuindo algumas falhas de fabricação, como

pequenos vazios no material de adição usado no processo de brasagem,

ainda supera a configuração com fita. Isso se justifica pelo contato ter

maior garantia na brasagem do que na fita.

A tabela 3 apresenta os resultados médios obtidos para cada

configuração. Conforme menção anterior, os valores a serem observados

são a taxa de transferência de calor e a efetividade calculadas para cada

amostra. A configuração 6 está destacada pelo fato de que foi usada

como base de comparação, tanto para o efeito do comprimento, quanto o

efeito do contato.

70

Figura 31 - Taxa de transferência de calor e efetividade médias para

diferentes configurações de TC-TCLS


Tabela 3 - Resultados médios para as configurações testadas

# TC-TCLS

[mm] [mm] [mm] [W] [-]

1 Fita Al (Cu-Cu) 400 1500 0,761 49,86 0,808

2 Fita Al (Cu-Cu) 400 1100 0,761 41,16 0,692

3 Fita Al (Cu-Cu) 400 1900 0,761 50,23 0,945

4 Concêntrico(Cu-Cu) 500 1500 0,764 50,54 0,811

5 Brasado (Cu-Cu) 500 1500 0,742 56,05 0,872

6 Fita Al (Cu-Cu) 500 1500 0,760 42,47 0,775


Assim como em estudos anteriores, pode ser constatado que o

comprimento é pouco influente sobre a vazão mássica. Entretanto, a

Figura 32 mostra as grandezas e em função do comprimento de troca para a configuração do tipo Fita Al. Através da análise gráfica é possível

perceber, que diferentemente do comportamento obtido para a variação

do contato, aqui a taxa de transferência de calor se manteve

praticamente

constante, enquanto a efetividade foi claramente correlacionada com o

0,6

0,7

0,8

0,9

0

10

20

30

40

50

60

Lateral brasado Concêntrico Fita Al

Efe

tivi

dad

e [-

]

Tax

a d

e tr

ansf

erên

cia

de

calo

r [W

]

Média da taxa detransferência de calor

Média da efetividade

71

Figura 32 - Taxa de transferência de calor e efetividade em função do

comprimento de troca para configuração com Fita Al


incremento no comprimento. Também diferente do gráfico para a

variação das configurações, este foi feito para uma condição em

específico da matriz, que foi repetida em cada uma das amostras. Dessa

forma, é possível analisar o efeito de forma isolada, mantendo-se as

todas as variáveis constantes, menos o comprimento de troca.

Outra análise importante da variação do comprimento é que um

aumento em 0,4m promove, em média, um incremento de 10% na

efetividade, dessa forma, os déficits pertinentes à fita podem ser

compensados com o comprimento, de tal forma a alcançar a efetividade

das amostras concorrentes, embora implicações do processo de

fabricação da configuração com Fita Al também possam melhorar seu

desempenho. Tendo em mãos os custos de fabricação é possível realizar uma

análise, para ver se é rentável substituir as configurações mais usadas

atualmente, lateral brasada e concêntrica, pela fita que é mais barata.

Apenas como uma estimativa grosseira, os custos são crescentes com a

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0

5

10

15

20

25

30

35

1100 1500 1900

Efe

tivi

dad

e [-

]

Tax

a d

e tr

ansf

erên

cia

de

calo

r [W

]

Comprimento de troca [mm]

Taxa de transferência de calor

Efetividade

72

efetividade dos trocadores, quando comparadas apenas as distinções

referentes ao contato. Assim sendo, seria possível analisar se o aumento

do comprimento da configuração fita Al justificaria sua adesão, quando

comparado a uma amostra brasada ou concêntrica com menor.

Diferentemente da abordagem de custos mencionada no início do

trabalho, onde os custos de fabricação seriam tratados como custos

diretos, dada a informação que os TC-TCLS empregados nos

refrigeradores eram todos comprados de terceiros. No entanto, uma

informação recente mudou essa abordagem, pois além de não se ter

acesso as informações de custo de uma forma quantitativa, teve-se posse

do conhecimento de que os trocadores de calor do tipo lateral brasado e

concêntrico são fabricados na própria empresa, enquanto o lateral com

fita Al é comprado de terceiros. Essa informação é completamente

relevante para o estudo, visto que para determinar o custo de cada

amostra seria necessário realizar uma análise de custeio dentro do

processo produtivo, visando alcançar um valor que representasse o

custo, para então sim comparar as amostras sob a mesma base de valor.

Todavia, os resultados das análises para as diferentes

configurações, bem como o efeito de um aumento do comprimento de

troca na configuração lateral com fita Al pode ser dito como satisfatório,

sendo que mesmo através de uma abordagem de caráter qualitativo, foi

possível qualificar as amostras sob a métrica conjunta da efetividade

térmica e a troca de calor.

73

7 CONCLUSÕES

O presente trabalho teve como proposta central a solução do

problema de tomada de decisão entre diferentes configurações de

trocadores de calor tubo capilar-linha de sucção sob os vieses de

desempenho térmico e custo unitário.

Foi evidenciada a relevância do estudo nesse dispositivo,

sobretudo no potencial de promoção de eficiência aos refrigeradores

domésticos, classe de alta participação no perfil de consumo brasileiro

de energia elétrica atual.

Estabelecida a importância do estudo dentro do ramo de pesquisa

em tecnologias para a promoção de eficiência dos produtos, sobretudo

os eletrodomésticos, foi realizada uma ampla revisão bibliográfica,

contemplando estudos marcantes na história da refrigeração, e mais a

fundo, nas contribuições efetivas na área de dispositivos de expansão.

Ainda na introdução foram apresentadas as diferentes

configurações de trocadores de calor. As configurações estudadas foram

de trocadores do tipo lateral brasado, concêntrico e lateral com Fita Al.

Conforme descrito na revisão, vários estudos contemplaram as

configurações brasada e concêntrica, mas não juntamente com a fita Al.

Dessa forma é que se inseriu a lacuna á qual o presente estudo se propôs

a preencher. Dada a importância do estudo dessa nova configuração,

foram estabelecidas configurações específicas para serem testadas, ás

quais pudessem abordar o efeito do comprimento de troca e o efeito do

tipo de união entre o tubo capilar e a linha de sucção.

A metodologia proposta para a realização do presente estudo

pode ser representada basicamente pela construção do aparato

experimental, que levou cerca de 1 ano para ficar pronto. Várias etapas

precisaram ser vencidas, tais como a concepção da estrutura, dos

sistemas de medição e especialmente do quadro elétrico e do programa

de monitoramento e controle.

Logo após foi definida então a matriz de testes experimentais,

baseada em condições especificadas por norma e condições comuns de

uso em sistemas reais de refrigeração por compressão mecânica de

vapores. Uma breve caraterização teórica foi realizada com o intuito de

definir as métricas necessárias para o ranqueamento dos trocadores, tais

como efetividade térmica e taxa de transferência de calor. Definidas tais

grandezas, tomou-se rumo a caracterização experimental, onde pode ser

detalhado todo o sistema, destacando pontos importantes do aparato e

reinvindicações feitas em estudos anteriores, antepondo cuidados

necessários para a realização dos testes. Estratégias de controle também

74

forma abordadas, podendo ser compreendidas através de representações

esquemáticas da bancada.

Mais adiante foram explicitados e descritos os resultados obtidos

com os experimentos. Algumas informações importantes foram

extraídas da base de dados experimentais, tais como a variação da

efetividade com o comprimento de troca em trocadores do tipo lateral

com fita Al, e também a diferença entre efetividade de trocadores

distintos.

Por fim, os resultados apontaram que o trocador brasado é

inevitavelmente o mais eficiente do ponto de vista termodinâmico,

seguido do concêntrico e do lateral com fita Al. Para que fosse possível

apontar o trocador com custo e eficiência otimizados seria necessária

uma análise robusta e mais aprofundada nos custos envolvidos no

processo de fabricação dos mesmos. No entanto, cabe aqui o comentário

de que a configuração de trocador do tipo concêntrico é bastante onerosa

para a empresa, envolvendo diversos processos de fabricação, como

perfuração e até mesmo brasagem para o selamento do trocador no

ponto de incisão do capilar dentro da linha de sucção. Além disso, a

configuração de trocador do tipo lateral brasado, apesar de ser fabricado

na empresa em questão também se apresenta bastante custosa, aliás,

qualitativamente é possível afirmar que a configuração lateral brasada é

a mais eficiente mas também a mais cara. Assim sendo, é necessário

conhecer os custos com clareza para se poder tomar uma decisão quanto

ao trade-off de se empregar um comprimento maior de trocador de calor

lateral com fita Al ou continuar com o brasado.

Uma sugestão para a tomada de decisão é que se explore o

processo de fabricação da configuração lateral com fita Al, para que seja

avaliada a possibilidade de se prover uma maior zona de contato,

mediante imposição de força por parte da fita.

Como sugestão para trabalhos futuros ficaria proposta então uma

análise numérica do trabalho em questão, direcionando-se

principalmente á amostra lateral com fita Al. No entanto essa etapa já

está sendo finalizada pelo trabalho de mestrado de Tabares (2018).

Dessa forma a sugestão que fica para os próximos trabalhos é fazer uma

análise dos custos envolvidos em cada amostra para que se possa prover

embasamento o suficiente para a tomada de decisão por parte da

empresa, quando da escolha do trocador com o melhor custo vs

benefício. Além disso sugere-se também que se testem trocadores desse

tipo, ou outras configurações inovadoras com outros fluidos além do R-

600a que foi o fluido refrigerante abordado no presente estudo.

75

REFERÊNCIAS

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line heat exchanger performance with alternative refrigerants HFC-

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79

APÊNDICE A – LISTA DE EQUIPAMENTOS UTILIZADOS

A continuação será apresentada uma tabela com os principais

equipamentos utilizados na bancada.

Tabela 4 Lista de equipamentos

Equipamento Modelo Marca

Compressor (x2) VEMY 9C Embraco

Condensador de aletas - -

Transdutor de pressão MMA250C1B2C

5T4A6- Ômega

Transdutor de pressão MMA150C1B2D

6T4A6CE Ômega

Transdutor de pressão P10AB**GDCZP

DLCZZZZ Wika

Transdutor de pressão P10ABCLGDCZ

PDLCZZZZ Wika

Transdutor de pressão P3MB20bart IHM

Fonte de alimentação NES1524 Mean Well

MW

Fonte de alimentação JL6012 Mean Well

MW

Fonte de alimentação RS15048 Mean Well

MW

Transdutor de fluxo de massa

coriolis

Conversor Mass

6000 Siemens

Conversor de sinal do fluxo de

massa Mass 6000 Siemens

Sonda termopar TMQSS020u6 Omega

Cabo de compensação Tipo T91

PRT243LEBULK Omega

Sistema de aquisição de dados SCXI 1000 National

Instruments

Modulo amplificador de

termopares de 8 canais com

conexão direta

SCXI 1112 National

Instruments

Módulo atenuador de saída SCXI 1124 National

Instruments

Bloco terminal de saída de 6

canais SCXI 1325

National

Instruments

80

Módulo amplificador entrada SCXI 1102

Bloco terminal de entrada de 32

canais SCXI 1303

National

Instruments

Relé de estado sólido (x6) AFC-01 Contemp

Resistência da entrada do tubo

capilar

4mm x 4000mm

220V x 200W HeaTemp

Separadores de óleo OUB 1 Danfoss

Filtros coalescentes 6HM06-013 Parker

Filtro coalescente 10HM06-013 Parker

Banho Ultratermostatizado MA-083 Marconi

Trocador de calor liq-liq HE 0.5-8.0

015D0004 Danfoss

81

APÊNDICE B– SISTEMA ELÉTRICO, SISTEMA DE

CONTROLE E SISTEMA DE MEDIÇÃO DA BANCADA

EXPERIMENTAL

B.1 SISTEMA ELÉTRICO

Um quadro de comando foi projetado exclusivamente para a

bancada, permitindo a ligação de cada uns dos componentes elétricos.

Os botões de comando disponibilizados no painel permitem a

ativação geral da bancada, a parada em caso de emergência e a ativação

separada de cada um dos seguintes subsistemas:

Sistema de aquisição de dados e computador;

Medidor de vazão mássica e transdutores de pressão;

Resistência de ventilação e separadores de óleo;

Resistências de evaporação, superaquecimento e sub-

resfriamento;

Compressores;

Ventilador.

A bancada é alimentada com 220V e 60Hz. Dentro do quadro de

comando existem fontes de energia de 12V, 24V e 48Vque permitem a

ligação de alguns componentes que precisam de corrente continua para

operar. Sendo este o caso dos transdutores de pressão de 12V e 24Ve o

ventilador de 48V.

São usados fusíveis tipo ampola para a proteção de cada um dos

componentes ligados a seis contatoras, e um fusível tipo diazed

retardado para a proteção do circuito de potência.

Todos os componentes da bancada foram devidamente aterrados

com a intenção de diminuir a possibilidade de ruído nas medições e

garantir segurança na hora do manuseamento dos componentes e

subsistemas.

A Figura 33 mostra o circuito de comando da bancada e a Figura

34 mostra o circuito de potência.

B.2 SISTEMA DE MEDIÇÃO E CONTROLE DA BANCADA

O sistema de aquisição de dados National Instruments SCXI foi utilizado para a obtenção de dados, assim como para o controle dos

diferentes componentes.

O módulo SCXI 1112 permite a leitura direta do sinal

proveniente dos termopares de medição que estão localizados na entrada

82

e saída da linha de sucção e capilar. A leitura é feita, tomando como

referência a junta fria interna do DAQ.

Fase 2

20V

AC

CG

NF

SE

NF

SD

G

NA

SLG

L1

NA

CG

01

02

D1

CD

L2

NA

CG

SD

AQ

F1

CM

L3

NA

CG

CR

PL

4

NA

CG

CP

L6

NA

CG

CV

L7

NA

CG

DIA

GR

AM

A D

E C

OM

AN

DO

Neutr

o 2

20V

AC

03

03

03

03

03

03

03

04

05

05

06

06

06

06

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

13

13

14

14

14

23

23

24

24

24

33

33

34 3

4

34

43

43

44

44

44

53

53

54

54

54

SM

SR

SP

SV

NA

CG

03

35

36

37

37S

MR

CM

RL

5

N

N

37

Figura 33 Diagrama de comando

83

Fa

se

22

0V

AC

01

02

D1

PC

DIA

GR

AM

A D

E P

OT

ÊN

CIA

Ne

utro

22

0V

AC

F2

NA

CD

DA

Q

F3

NA

CMm

Fonte

12V

Fonte

24V

F4

NA

CR

P

RL3

RL2

RL1

PID

1

PID

2

PID

3

F6

NA

CPC

P

F7

NA

CVFonte

48V

02

02

02

02

02

62

63

63

63

72

73

73

73

73

82

83

83

83

83

84

85

86

NN

NN

N

N N N

10

2

10

3

10

3

NN

F5

NA

CR

MRM

02

92

93

93

N

11

2

11

3

11

3

NF

TM

86

87

94

95

96

R_

Po

sE

va

RL4

PID

4

91

RL5

PID

5

90

F5

NA

CR

M

02

88

89

R_

SU

B

R_

Evap

R_

Vent

R_S

ep

Óle

o

Figura 34 Diagrama de potência

84

O módulo SCXI 1102 quando utilizado com o módulo SCXI

1303 permite receber trinta e dois sinais de tensão ou corrente

provenientes dos diferentes medidores, tais como vazão mássica,

transdutores de pressão ou termopares. Sendo que todos os sinais estão

entre 0 e 5V no caso de tensão, ou entre 4 e 20mA para o caso de

corrente.

O módulo 1325, é um módulo de saída que quando acoplado ao

módulo 1124 permite enviar sinais de corrente aos relês de ângulo de

fase que operam entre 4 e 20mA e que são utilizados para o

acionamento das diferentes resistências.

O sistema de aquisição através do seu software, permite a

programação dos controladores PID quem enviam o sinal de corrente

aos relês de ângulo de fase.

Para o caso específico do ventilador, o módulo de saída do

sistema de aquisição também permite o envio de sinais de tensão entre 0

e 5V.

A pressão de alta possui muitos atuadores atrelados ao seu

controle, sendo estas: velocidade de rotação do ventilador, resistência de

aquecimento na entrada de ar do condensador e uma válvula

micrométrica na saída do pós-evaporador. Levando em consideração o

fato que a pressão de condensação tem influência na pressão pela troca

de calor no pôs-resfriador (temperatura do banho) e pela resistência de

controle de sub-resfriamento.

O controle da pressão de evaporação é feito pela rotação dos

compressores VCC, assim como pela manipulação de uma válvula na

entrada dos mesmos, que modula a capacidade do compressor em casos

onde a rotação dos compressores atingiu o mínimo possível, e a pressão

de baixa precisa aumentar.

A velocidade dos compressores é controlada por um PID

programado desde o Software, que envia o sinal ao variador de

frequência através de uma porta serial.

Uma vez que o fluido deixa o evaporador, uma resistência

acionada por um controlador PID fornece calor ao fluido, controlando a

temperatura da saída do evaporador e consequentemente, a temperatura

de entrada da linha de sucção na seção de testes (Superaquecimento).

Desta forma, todas as resistências utilizadas na bancada, são

acionadas mediante o PID. Sendo este o caso do aquecimento dos

separadores de óleo, do ar na entrada do ventilador, do ajuste fino do

sub-resfriamento e superaquecimento, e do evaporador.

85

APÊNDICE C – CARACTERIZAÇÃO GEOMÉTRICA DOS

TUBOS CAPILARES

C.1 INTRODUÇÃO

Devido a importância que o diâmetro interno do tubo capilar

apresenta sobre a vazão mássica, é necessário o cálculo do mesmo.

Para esta medição, encontrou-se três formas diferentes para

proceder. A primeira, uma avalição feita por meio de um teste com

vazão de nitrogênio, a segunda utiliza a ajuda de um microscópio que

permite a verificação da medida interna do diâmetro do capilar, a partir

da medição externa do diâmetro. Um outro procedimento utilizado para

a medição do capilar, foi a tomografia, que consegue a menor incerteza

de medição, mas sendo o procedimento caro, foi descartado. Ainda

assim, fazendo o comparativo de uma amostra, foi visto que o método

do microscópio, consegue ter resultados próximos aos obtidos por

tomografia, com o benefício de baixo custo.

Figura 35 Tomografia do capilar 1

C.2 TESTE DE VAZÃO DE NITROGÊNIO

O teste consiste em passar nitrogênio através do tubo capilar com

comprimento, L, e medir a vazão mássica, , que passa por ele,

precisando que a pressão de entrada do fluido esteja o mais próximo

possível a 7,9bar, com a intenção de obter uma boa medição.

86

Com ajuda da Eq. (44) apresentada por Kipp e Schmidt (1961) é

possível obter o diâmetro interno médio do tubo capilar.

(

√ )

Uma bancada experimental localizada no polo, permite fazer esta

análise de forma rápida e direta.

C.3 METODO DO MICROSCOPIO

No laboratório POLO, foi desenvolvido um programa que

permite analisar a imagem de uma fotografia tirada por um microscópio.

O programa, utiliza a teoria de mínimos quadrados para plotar

dois círculos que definem a geometria do tubo, e a partir do diâmetro

externo, o programa consegue calcular o diâmetro interno do capilar,

utilizando a relação de pixels que existe entre eles.

A preparação da amostra para tirar a foto é a parte mais

importante deste processo de medição, já que a medição por

microscópio precisa de uma secção transversal plana, paralela à

superfície, que permita reconhecer a verdadeira grandeza do diâmetro do

tubo capilar, para isso, é necessário proceder da seguinte forma:

Cortar um pedaço não maior a 2mm do tubo capilar que

quer ser medido.

Manter o capilar perpendicular à superfície com ajuda de

um grampo.

Utilizar uma resina própria para embutimento, para

manter grampo com o capilar dentro de uma resina.

Lixar a resina procurando manter a perpendicularidade

do capilar.

Uma vez tirada a foto, é utilizado o programa para conhecer o

diâmetro do capilar.

Para maior informação, procurar o relatório “preparação de

amostras e medição do diâmetro interno de tubos capilares” feito por

Luiz Madeiros Sapaio, guardado nos documentos públicos do

laboratório POLO.

87

C.4 MEDIÇÃO DO COMPRIMENTO

Cada tubo capilar foi posicionado sobre uma superfície plana,

horizontal e nivelada. As medições foram realizadas com uma trena de 5

m da marca Starrett. Mantendo o valor do comprimento em 2,700mm

com uma variação de 10mm devidos a curvas pressentes no capilar. O

comprimento do mensurando foi considerado como invariável.

Um resumo dos diâmetros dos tubos capilares pode ser

encontrado na Tabela 5.

Tabela 5 Medições dos diâmetros capilares

N2 Microscópi

o Nomin

al Erro

N2 x Micro [mm] [mm] [mm] [%]

0,764 0,761 0,71 0,394 0,762 0,761 0,71 0,131 0,762 0,761 0,71 0,131 0,771 0,764 0,71 0,916 0,764 0,742 0,71 2,965 0,781 0,760 0,71 2,763 0,664 0,636 0,63 4,403 0,758 0,730 0,71 3,836 0,753 0,730 0,71 3,151 0,764 0,724 0,71 5,225 0,771 0,747 0,71 3,213 0,765 0,764 0,71 0,131

uma anÁlise experimental do desempenho de ...diego marchi uma anÁlise experimental do desempenho...

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