Avaliação numérica e experimental do desempenho termodinâmico de um refrigerador doméstico do tipo frost-free

Abstract

Nesse trabalho desenvolveu-se um estudo numérico-experimental para avaliar e otimizar o desempenho termodinâmico de um refrigerador doméstico. Na frente experimental, caracterizou-se o sistema de distribuição de ar interno, o gabinete, os componentes fundamentais do ciclo, além do desempenho do próprio refrigerador. Na frente numérica, desenvolveu-se um modelo analítico unidimensional para prever a transferência de calor através das paredes do gabinete. O sistema de distribuição de ar interno e o desempenho térmico do gabinete foram caracterizados através de simulações numéricas com o auxílio do software STARCCM+. Os resultados numéricos foram utilizados para subsidiar outro modelo matemático capaz de simular o desempenho do refrigerador. O modelo analítico do gabinete e as simulações numéricas apresentaram discrepâncias inferiores a ± 8% em relação aos dados experimentais. O consumo de energia do refrigerador, por sua vez, foi previsto com erros inferiores a ± 5%. As simulações do sistema de circulação de ar indicaram uma distribuição de vazão inadequada entre os compartimentos do refrigerador, além de zonas de severa estratificação de temperatura e recirculação de ar, com potenciais riscos de formação indesejada de geada. Alterações no sistema de fluxo de ar foram propostas, originando uma distribuição mais uniforme, o que eliminou as zonas de recirculação e, consequentemente, os riscos de formação de geada. Análises paramétricas foram também realizadas para estimar o consumo de energia tendo em vista as seguintes modificações: i) isolamento térmico, ii) impedância do sistema de distribuição de ar interno, iii) geometria dos trocadores de calor iv) motor do ventilador e (v) modelo de compressor. Os resultados mostraram que um projeto adequado do sistema de distribuição de ar e a apropriada seleção dos componentes do sistema podem originar reduções de consumo de energia de até 51%.

Abstract : In this study a numerical-experimental study was developed to evaluate and optimize the thermodynamic performance of a domestic refrigerator. The experimental branch was characterized by the internal air distribution system, the cabinet, the fundamental components of the cycle, and also the performance of the refrigerator itself. The numerical branch consisted on the development of a one-dimensional analytical model to predict the heat transfer through the walls of the cabinet. The internal air distribution system and the thermal performance of the cabinet were characterized by numerical simulations with the aid of the STARCCM + software. The numerical results were used to subsidize another mathematical model capable of simulating the performance of the refrigerator. The analytical model of the cabinet and numerical simulations presented erros below than ± 8% when compared to the experimental data. On the other hand, the energy consumption of the refrigerator was estimated with errors of less than ± 5%. The simulations of the air circulation system indicated inadequate flow distribution between the refrigerator compartments, as well as areas of severe temperature stratification and ar recirculation, with potential risks of undesirable frost formation. Changes in the air flow system were proposed, resulting in a more uniform distribution, which eliminated the recirculation zones and consequently the risks of frost formation. Parametric analyzes were also performed to estimate the energy consumption in view of the following modifications: (i) thermal insulation, (ii) impedance of the internal air distribution system, (iii) geometry of the heat exchangers, (iv) fan motor and (v) compressor models. The results showed that a proper design of the air distribution system and a proper selection of system components can lead to energy savings of up to 51%.