Avaliação experimental da utilização de elementos de armazenamento de calor em refrigeradores domésticos

Abstract

Phase Change Materials (PCMs) são materiais com alto calor latente de fusão capazes de armazenar e liberar grandes quantidades de energia ao mudar de fase. Tais materiais têm sido desenvolvidos para armazenar a máxima quantidade de energia térmica de forma a melhorar o desempenho e a confiabilidade de sistemas energéticos. O uso de PCM nos ambientes refrigerados e/ou nos trocadores de calor de refrigeradores domésticos pode (i) aumentar o coeficiente de performance; (ii) reduzir o consumo de energia; (iii) estabilizar e diminuir a estratificação das temperaturas internas e (iv) atrasar a elevação da temperatura interna quando ocorre queda de energia. Dentro desse contexto, este trabalho se propõe a estudar experimentalmente o efeito da utilização de PCMs em refrigeradores domésticos. Para tanto, estudaram-se os efeitos isolados e combinados da utilização de PCM no congelador, resfriador e condensador. Foram utilizados dois tipos de PCM no congelador e três tipos no resfriador e no condensador. Testes de abaixamento de temperatura (pull-down), de retenção de temperatura (pull-up) e de consumo de energia foram realizados para cada combinação de posicionamento, quantidade e tipo de PCM. A utilização de PCM nos compartimentos refrigerados impactou negativamente o tempo de abaixamento de temperatura, conforme já esperado. Em contrapartida, o teste de retenção de temperatura apresentou melhorias de até 300%. O uso do PCM nos ambientes refrigerados, independentemente do tipo, quantidade ou posicionamento, não apresentou melhorias significativas no consumo de energia, possivelmente devido à alta frequência do regime cíclico do refrigerador que inviabilizou a mudança de fase do material e a atuação do PCM como um regenerador de energia. Por sua vez, a integração de PCM no condensador apresentou uma redução no consumo de energia de até 5,4% em condições de baixa fração de funcionamento, com uma redução no tempo de compressor ligado e um aumento no tempo de compressor desligado.

Abstract : Phase change materials (PCMs) are substances with high heat fusion, which are capable of storing and releasing large amounts of energy while changing phase. These materials have recently been developed to store the maximum amount of thermal energy in order to improve the performance and reliability of energetic systems. The use of PCMs in refrigerated household can contribute to (i) enhance the system performance, (ii) reduce the energy consumption, (iii) stabilize and decrease the stratification of internal temperatures, and (iv) keep the internal temperature at acceptable levels for a longer period in case of energy shortage. In this context, this study evaluates experimentally the effect on the use of PCMs in household refrigerators. Therefore, the effects, isolate and combined, of adding PCMs on the freezer, fresh food and condenser, were investigated. Two types of PCMs were used on the freezer, and three types on the fresh food and condenser. Experimental tests as pulldown, pull-up and energy consumption were performed for each combination, amount and type of PCM. As expected, the use of this material inside the refrigerated compartments increased the time of pull down period. Moreover, the pull up period presented meaningful gains of 300%. However, regardless of the PCM type, amount or position, its presence at the refrigerated compartments did not reduce significantly the energy consumption, likely due to the high frequency of the cyclic regime of the household refrigerator that preclude the phase change of these materials and their performance as an energy regenerator. On the other hand, the addition of PCM at the condenser reduced the energy consumption by 5,4% at low compressor run time ratio conditions, with decreased compressor on-time and increased off-time.