Simulação de um refrigerador tipo cassete para expositores de bebidas considerando a formação de geada no evaporador

Abstract

A empresa NIDEC GA (antiga Embraco) desenvolveu um produto denominado Plug?n?Cool, um sistema modular de refrigeração comercial, pequeno o suficiente para ser instalado no topo de gabinetes expositores de bebidas. Atualmente, devido às suas dimensões reduzidas, um dos principais problemas das unidades Plug?n?Cool é o rápido bloqueio do evaporador devido à formação de geada. Este fator leva o sistema a operar continuamente em regime de ?pull-down? (transiente de abaixamento de temperatura), pois o tempo entre degelos é curto. Neste sentido, o presente trabalho teve por objetivo o levantamento de um modelo matemático quase-estático do Plug?n?Cool e a aplicação do mesmo em um exercício de otimização da unidade, de forma a minimizar os efeitos negativos da formação de geada sobre o desempenho global do produto. Cada componente do sistema foi modelado de forma detalhada, sendo cada sub-modelo criteriosamente validado com dados numéricos e/ou experimentais. O modelo como um todo foi validado com dados de cinco testes experimentais do Plug?n?Cool operando em calorímetro, nos regimes permanente e transiente, sendo capaz de prever o comportamento de diversos parâmetros de desempenho do sistema ao longo do tempo, tais como a capacidade de refrigeração, o COP e a massa de geada acumulada no evaporador, em função de características geométricas e das condições operacionais. Para o regime permanente, o modelo apresentou desvios médios de 0,8°C na temperatura de evaporação, 2,5°C na temperatura de condensação e 4,4% no consumo de potência elétrica, em relação a dados experimentais em calorímetro. A capacidade de refrigeração foi prevista com um desvio médio de 15,0%, um nível de concordância que foi considerado satisfatório haja vista as limitações do modelo. Fazendo uso da ferramenta computacional desenvolvida, verificou-se que o número de aletas atualmente empregado no evaporador constituía de fato uma solução de projeto otimizada, que fornecia o maior COP para condições operacionais típicas. Entretanto, constatou-se que, para este número de aletas, o tempo entre as operações de degelo poderia ser incrementado de 60 para 90 minutos, sem comprometer a eficiência do produto e nem provocar o entupimento por geada do evaporador. Com base nos resultados simulados, propôs-se que a perda de carga do escoamento de ar através do evaporador poderia ser utilizada como critério para sinalizar a necessidade do acionamento do sistema de degelo.

Abstract: The company NIDEC GA (formerly Embraco) developed a product called Plug'n'Cool, a modular commercial refrigeration system, small enough to be installed on top of beverage display cabinets. Due to their reduced dimensions, one of the main problems with Plug?n?Cool units is the rapid blockage of the evaporator due to frost formation. This factor leads the system to operate continuously in a ?pull-down? regime (temperature drop transient), as the time between defrost operations is short. In this sense, the present work aimed to survey a quasi-static mathematical model of the Plug'n'Cool and apply it in a unit optimization exercise, in order to minimize the negative effects of frost formation on the overall product performance. Each system component was modeled in detail, each sub-model being carefully validated with numerical and/or experimental data. The model as a whole was validated with data from five experimental tests of Plug'n'Cool operating in a calorimeter, in steady and transient regimes, being able to predict the behavior of several performance parameters of the system over time, such as the cooling capacity, the COP and the mass of frost accumulated in the evaporator, as a function of geometric characteristics and operating conditions. For the steady state, the model showed average deviations of 0.8°C in the evaporation temperature, 2.5°C in the condensation temperature and 4.4% in the electrical power consumption, in relation to experimental data in calorimeter. The cooling capacity was predicted with an average deviation of 15.0%, a level of agreement that was considered satisfactory given the limitations of the model. Making use of the developed computational tool, it was verified that the number of fins currently used in the evaporator constituted in fact an optimized design solution, which provided the highest COP for typical operating conditions. However, it was found that, for this number of fins, the time between defrosting operations could be increased from 60 to 90 minutes, without compromising the efficiency of the product or causing the evaporator frost to clog. Based on the simulated results, it was proposed that the pressure drop of the air flow through the evaporator could be used as a criterion to signal the need to activate the defrost system.