Estudo teórico-experimental da produção automática de gelo em refrigeradores domésticos

Abstract

Também conhecidas por icemakers, as máquinas de gelo estão cada vez mais presentes em refrigeradores domésticos, onde ar frio, proveniente do compartimento congelador ou evaporador dedicado, é utilizado para produzir gelo de forma automática e periódica. O presente trabalho tem seu foco voltado à caracterização do desempenho de máquinas de gelo através de métodos numéricos e experimentais. A frente experimental do trabalho contou com um túnel de vento em circuito fechado especialmente projetado e construído para esta finalidade, o qual permite um controle rigoroso da vazão e da temperatura do ar na entrada da seção de testes, onde a máquina de gelo, instrumentada com termopares, é posicionada de maneira a emular a condição existente no refrigerador. Curvas de resfriamento e congelamento foram obtidas para diferentes cubos de gelo em duas bandejas distintas, com 10 e 21 volumes, em diferentes condições de operação (vazões entre 5 e 25 m³/h, temperaturas entre -5 e -25°C). Com base nas curvas de resfriamento, um algoritmo foi desenvolvido para identificar o momento exato em que o cubo de gelo está totalmente na fase sólida, aumentando a produção. A frente numérica tratou da modelagem do processo de transferência de calor com mudança de fase a fim de simular a produção de gelo a partir da geometria da bandeja e das condições de operação. Um modelo tridimensional de fronteiras móveis foi desenvolvido com base na solução de Stefan e validado contra os dados experimentais, apresentando erros na faixa de ±10% para o tempo de produção de gelo. Por fim, uma correlação semi-empírica, formulada a partir do modelo de Plank para o tempo de congelamento, foi proposta e ajustada para cada um dos modelos de máquinas de gelo, sendo capaz de prever o tempo de produção de gelo com erros na faixa de ±10%. Utilizando os métodos numéricos e experimentais desenvolvidos neste trabalho, uma nova máquina de gelo foi projetada, prototipada e testada, apresentando o dobro da taxa diária de produção de gelo da máquina original.

Abstract: The present work focuses on characterizing the performance of icemakers using numerical and experimental methods. Also known as automatic ice machines, these devices are increasingly present in domestic refrigerators, where cold air from the freezer compartment is used to produce ice automatically and periodically. The experimental part of the work made use of specially designed and built test bench, a closed-loop wind tunnel which allows strict control of the airflow and temperature at the entrance of the test section, where the ice machine, instrumented with thermocouples, is positioned to emulate the condition in the refrigerator. Cooling and freezing curves were obtained for different ice cubes in two different trays, with 10 and 21 volumes, under different operating conditions (flow rates between 5 and 25 m³/h, temperatures between -5 and -25 °C). Based on the freezing curves, an algorithm was developed to identify the exact moment when the ice cube is entirely in the solid phase in order to complete the production cycle, thereby reducing the time spent in the ice production. The numerical front focused at the heat transfer process with phase-change to simulate the production of ice from the tray geometry and operating conditions. A three-dimensional moving boundaries model was developed based on Stefan's solution and validated against experimental data, presenting errors in the range of ± 10% for the ice production time. Lastly, a semi-empirical correlation was formulated, based on the Plank model, for the freezing time was proposed and adjusted for each of the icemaker models, being able to predict the time of ice production with errors in ± 10% error bands. Using the numerical and experimental methods developed in this work, a new icemaker was designed, prototyped, and tested, presenting twice the daily ice production rate of the original model.