universidade da beira interior departamento de engenharia electromecânica

EESTUDO STUDO NNUMÉRICO E UMÉRICO E EEXPERIMENTALXPERIMENTAL DO DO DDESEMPENHO ESEMPENHO TTÉRMICO DE ÉRMICO DE

EEQUIPAMENTOS QUIPAMENTOS EEXPOSITORES XPOSITORES RREFRIGERADOSEFRIGERADOS

Universidade da Beira InteriorUniversidade da Beira InteriorDepartamento de Engenharia ElectromecânicaDepartamento de Engenharia Electromecânica

Pedro Dinis GasparPedro Dinis GasparUniversidade da Beira InteriorUniversidade da Beira Interior

Covilhã e UBI, Julho 2002Covilhã e UBI, Julho 2002

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia de Sistemas de ProduçãoEngenharia de Sistemas de Produção e Conservação de Energia e Conservação de Energia

Universidade da Beira InteriorUniversidade da Beira InteriorDepartamento de Engenharia ElectromecânicaDepartamento de Engenharia Electromecânica

Realizada sob orientação cientifica de :Realizada sob orientação cientifica de :

Prof. Dr. Alexandre Borges de MirandaProf. Dr. Alexandre Borges de Miranda(Professor Auxiliar – Dept.º de Eng.ª Electromecânica - Universidade da Beira Interior)(Professor Auxiliar – Dept.º de Eng.ª Electromecânica - Universidade da Beira Interior)

Prof. Dr. Rui António Pitarma Sabino Cunha FerreiraProf. Dr. Rui António Pitarma Sabino Cunha Ferreira(Professor Coordenador –Dept.º de Eng.ª Mecânica-ESTG-Intituto Politécnico da Guarda)(Professor Coordenador –Dept.º de Eng.ª Mecânica-ESTG-Intituto Politécnico da Guarda)

IINTRODUÇÃONTRODUÇÃO

EXIGÊNCIA SOCIAL E ECONÓMICA: Uso racional de energia no sector comercial.

ELEVADO CONSUMO ENERGÉTICO: Necessidade de conservação em frio dos alimentos; Manutenção do perfeito estado sanitário e nutritivo.

DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS DE ANÁLISE: Minimização do consumo energético; Melhoria da performance dos equipamentos.

AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL; SIMULAÇÃO NUMÉRICA.

RRELEVÂNCIA ELEVÂNCIA PPRÁTICA DO PROBLEMARÁTICA DO PROBLEMA

SOLUÇÃO Aplicação de uma Cortina de Ar.

INCONVENIENTES Diversos problemas técnicos: Imperfeições da cortina de ar; Características geométricas dos equipamentos; Entre outros factores...

EQUIPAMENTOS REFRIGERADOS ABERTOS: Característica: Inexistência de barreira física. Intuito: Visualização e Manuseamento de produtos.

CONSEQUÊNCIAS Perda de capacidade: Aumento do Consumo Energético; Variação do valor da Temperatura de conservação dos

produtros alimentares.

EEQUIPAMENTOS QUIPAMENTOS EEXPOSITORESXPOSITORES

(Cortesia: JORDÃO Cooling Systems ®) MURAL

ILHA

VITRINE

http://www.jordao.com/img/majestic/vit_mjst_presp.html

http://www.jordao.com/img/mcastelo/mur_cast_mcf.html

OOBJECTIVOSBJECTIVOS

FINALIDADE Indicação de alterações de projecto: Uniformizar o campo de temperaturas interior; Melhorar a distribuição do escoamento; Reduzir o consumo energético.

DESENVOLVIMENTO DE MODELO NUMÉRICO: Simulação do Desempenho Térmico de

Equipamentos Expositores Refrigerados Abertos.

VALIDAÇÃO DAS PREVISÕES NUMÉRICAS.

APLICAÇÃO DO MODELO: Casos de relevância prática.

MMODELO ODELO CCOMPUTACIONALOMPUTACIONAL

VANTAGENS:PROJECTO COM BASE CIENTIFÍCA:

Prescinde de dimensionamento empirico; Permite realizar a avaliação local das propriedades.

MÉTODO EXPEDITO DE PREVISÃO;

FÁCIL ADAPTAÇÃO A NOVOS CASOS: Permite examinar modificações a efectuar nos

equipamentos.

TÉCNICA DE ESTUDO: Custo mais reduzido; Tempo de desenvolvimento inferior.

MMETODOLOGIA DE ETODOLOGIA DE AABORDAGEMBORDAGEM

ENSAIOS EXPERIMENTAIS: Mural Aberto: Versão de Lacticínios Temp.: 3-6 [ºC]; Sensibilidade relativamente ao funcionamento; Análise qualitativa de todos os parâmetros; Percepção da realidade antes de avaliar os resultados; Inclusão de características funcionais no modelo.

MODELAÇÃO FÍSICA E MATEMÁTICA;

VALIDAÇÃO DO MODELO COMPUTACIONAL; Validação experimental essencialmente qualitativa.

APLICAÇÃO EM PROBLEMAS DE ENGENHARIA.

EESTUDO STUDO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL

ENSAIOS EXPERIMENTAIS

METODOLOGIA E ABORDAGEM Seguida pelo fabricante; Norma ASHRAE Standard 72-1998.

Method of testing open refrigerators.

Secção I&D da JORDÃO Cooling Systems.

Condições de Fronteira do Modelo: Medição Temperatura e Velocidade.

Validação do Modelo: Medição Temperatura.

http://www.jordao.com/img/mcastelo/mur_cast_mcf.html


TÉCNICAS EXPERIMENTAIS E EQUIPAMENTOS

Grandeza Técnica Experimental

Velocidade do ArTermo-AnemometriaTermó-anemometro

Temperatura do ArTermometria por TermoparesTermómetros digitaissonda: Termopar tipo T

Temperatura Superficial

Termometria por TermoparesTermómetro digital: Cole Parmersonda: Termopar de contacto tipo T

Condições de fronteira do modelo.Validação das previsões numéricas.


Disposição genérica dos dispositivos de sensorização no equipamento.

MEDIÇÕES DA VELOCIDADE E TEMPERATURA


MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS

Zona \ Propriedades U [m/s] T [ºC]

GrelhasInsuflação 2,5 1,5Aspiração 1,7 9,1

Orifíciosz=1277[mm] 1,5 1,5z=155[mm] 1,0 1,5

Paredes

SSE - 22,7SPE - 20,7SSI - 6,6SFI - 6,3SII - 8,1

Abertura ao ar ambiente - 25,0


TÉCNICAS EXPERIMENTAIS COMPLEMENTARES

Objectivo Técnica Experimental

Taxa de Renovação de

Ar

Gases TraçadoresGás: Hexafluoreto de Enxofre (SF6)Analisador de Gases:Bruel&Kjaer Multi-Gas Monitor Type 1302

Temperatura Superficial

Termografia por infravermelhosCâmara de Infravermelhos :NEC San–ei Thermo tracer TH1100

Visualização do

Escoamento

Injecção de fumoGerador de Fumo : Profog K-15

Avaliação auxiliar da distribuição das propriedades. Recolha fotográfica: Nikon F60 –Filme 100 ASA

http://www.necsan-ei.co.jp/osd/thermography/ts7302.htm


GASES TRAÇADORES

6 [ren/h]

VISUALIZAÇÃO

TERMOGRAFIA IV

MMODELO ODELO FFÍSICO E ÍSICO E MMATEMÁTICOATEMÁTICO

Formulação das Equações de Governo do Escoamento: TURBULENTO; BIDIMENSIONAL; NÃO ISOTÉRMICO.

REGIME ESTACIONÁRIO;

Características do Fluido de Trabalho Ar: GÁS IDEAL; INCOMPRESSÍVEL; Diversas PROPRIEDADES CONSTANTES.

MMODELO ODELO FFÍSICO E ÍSICO E MMATEMÁTICOATEMÁTICO

EQUAÇÕES: Conservação de massa:

Conservação de quantidade de movimento:

Conservação de energia:

MODELO DE TURBULÊNCIA k- Fecho das Eq’s.

LEIS DE PAREDE Quantificação de efeitos viscosos e dos elevados gradientes das variáveis.

MMODELO ODELO NNUMÉRICOUMÉRICO

Discretização: DIFERENÇAS FINITAS / Volumes de Controlo; Esquema HÍBRIDO.

Algoritmo de resolução numérica iterativa: SIMPLEST.

Características da Malha Computacional (50x240 VC’s): ORTOGONAL; DESLOCADA; NÃO UNIFORME.

Código de Dinâmica de Fluidos Computacional: PHOENICS.

MMODELO ODELO NNUMÉRICOUMÉRICO

CONDIÇÕES DE FRONTEIRAÁrea Tipo Origem

Paredes Sólidas Temperatura impostaNão Deslizamento

Experimental

Aberturas de Insuflação/Aspiração

Temperatura impostaVelocidade impostak e impostasIt imposta

ExperimentalExperimental

Abertura ao Ar Ambiente

Temperatura impostaPressão imposta

Experimental

PrateleirasProdutos (Simuladores)

Fluxo de calor nulo(Superfícies Adiabáticas)

Fontes de Calor(Iluminação interior)

Fluxo de calor impostoQ = 10 [W/m]

Fabricante

RRESULTADOS ESULTADOS NNUMÉRICOSUMÉRICOS

OBJECTIVO: Avaliação da distribuição dos campos de Velocidades

e Temperaturas no interior do equipamento; Investigação de pontos de possível evolução técnica.

PREVISÕES: Distribuição do Campo de Velocidades:

Padrão das Linhas de Corrente; Vectores de Velocidade.

Distribuição do Campo de Temperaturas: Contornos do Campo de Temperaturas global; Contornos do Campo de Temperaturas interior.


LINHAS DE CORRENTE e VECT. DE VELOCIDADE


VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Insuflação

PREVISÕES:Entrada de ar ambiente para o interior;Grande recirculação na prateleira superior.


VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Aspiração

PREVISÕES:Perda substancial para o exterior de mistura de ar

refrigerado com ar ambiente.


VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal Interior

PREVISÕES:Baixas velocidades que caracterizam o escoamento na

zona de exposição dos produtos alimentares.


DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS

PREVISÕES:

Cortina de ar: Eficácia do dispositivo; Interacção térmica.

Abertura frontal: Zona inferior Saída de

ar refrigerado.


DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS

PREVISÕES:

Grelha de insuflação: Temperatura mínima.

Área de exposição: Zona inferior T max; Zona média T const.

VVALIDAÇÃO ALIDAÇÃO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL

ESTUDO COMPARATIVO

TENDÊNCIA GENÉRICA: Evolução muito aproximada; Boa concordância de resultados.

DESVIOS: Distribuição não uniforme:

Abertura Erro Zona interior Erro

MODELO COMPUTACIONAL: Apresenta eficácia considerável.

z=1213 [mm]

z = 898 [mm]

z = 388 [mm]

AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO

Caso A : Aumento do diâmetro dos orifícios: A = 2 Grelha de insuflação:

Conservação de massa U = 2,1 [m/s]

OBJECTIVO: Uniformização das propriedades físicas relevantes. Melhorar as condições de funcionamento através de

alterações geométricas e funcionais da configuração.

Caso B : Configuração do Caso A. Perfuração e alteração dimensional das prateleiras.


VECTORES DE VELOCIDADE: GlobalCaso A

PREVISÕES:

Melhor distribuição do escoamento.


VECTOR DE VELOCIDADES: Grelha de InsuflaçãoCaso A

PREVISÕES:Velocidade de Insuflação mais reduzida;Atenuação da recirculação na prateleira superior.


VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de AspiraçãoCaso A

PREVISÕES:Ligeira alteração da cortina de ar;Perda para o exterior de mistura de ar refrigerado.


VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal InteriorCaso A

PREVISÕES:Aumento substancial da circulação de ar refrigerado;Redução da Temperatura entre as prateleiras.


DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURACaso A

PREVISÕES:

Desvio da Temperatura: 10 % ; Redução de 0,7 [ºC].

Maior uniformização do Campo de Temperaturas.


DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURACaso A

PREVISÕES:

Zona superior: Velocidade de Insuf.

Temperatura

& Atenuação da recirculação


Caso B : Caso particular (Caso A):

B = A = 2

Grelha de insuflação: Conservação de massa U = 2,0 [m/s]

Perfuração e alteração dimensional das prateleiras.

De modo a permitir na zona de exposição: Maior circulação de ar refrigerado; Redução adicional da temperatura; Maior homogeneidade das propriedades.


VECTORES DE VELOCIDADE: GlobalCaso B

PREVISÕES:

Aumento significativo da circulação de ar refrigerado entre as prateleiras.


VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de InsuflaçãoCaso B

PREVISÕES: Velocidade de Insuflação Modificação das

características da cortina de ar.


VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de AspiraçãoCaso B

PREVISÕES:Distribuição mais uniforme da Temperatura.


VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal InteriorCaso B

PREVISÕES:Maior conformidade do escoamento em todo o espaço

refrigerado.


DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURACaso B

PREVISÕES:

Desvio da Temperatura: 11 % ; Redução de 0,8 [ºC].

Maior uniformização do Campo de Temperaturas.


DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURACaso B

PREVISÕES:

Passagem de ar refrigerado entre as prateleiras.

Distribuição mais uniforme que no Caso A.

CCONCLUSÕESONCLUSÕES

Desenvolvimento e Validação de um modelo numérico: Simulação com precisão adequada; Apreciação dos fenómenos associados à refrigeração

de produtos em Equipamentos Expositores Abertos.

Aplicação de Técnicas Experimentais: Avaliação e Caracterização do Escoamento e

Transmissão de Calor.

Aplicação Casos de estudo de Relevância Prática: Redução e Uniformização da Temperatura; Maior Conformidade do escoamento.

Aumento do período de conservação dos produtos.

CCONCLUSÕESONCLUSÕES

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS:

MODELO NUMÉRICO: Tridimensionalidade e Regime Transiente; Modelo de Radiação Térmica; Modelo de Concentração de Espécies; Geometrias mais complexas; Integração do sistema de refrigeração; Extensão do código à carga térmica dos produtos. Investigação de Casos Práticos adicionais.

ESTUDO EXPERIMENTAL: Secção de teste; Técnicas experimentais; Validação.

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