Avaliação experimental do crescimento e adensamento da geada formada em condições típicas de refrigeradores domésticos

Abstract

Este trabalho aborda a avaliação experimental do crescimento e adensamento da geada em canais de placas paralelas, focando especificamente nas condições de operação de refrigeradores domésticos. Uma revisão da literatura revelou que as correlações existentes para a densidade da geada, quando extrapoladas para tais condições, apresentam divergências, com previsões de espessura variando em até 100 vezes entre si. Para preencher esta lacuna, foi projetado e construído um aparato experimental (túnel de vento vertical) capaz de controlar velocidade, temperatura e umidade do ar, além da temperatura da superfície de teste. A massa de geada foi determinada por balanços no ar a partir de medições psicrométricas na entrada e saída da seção de teste, e a espessura foi medida por um sistema de visualização com câmera e processamento de imagem. Foram realizados 46 testes experimentais que permitiram caracterizar os efeitos sobre a espessura, massa e densidade da geada, dos parâmetros operacionais: diferença de umidade absoluta (??); temperatura de superfície (Tw); sobretemperatura (OT); velocidade do ar (u); distância entre superfícies (Fp); e tempo de formação (t). Com base nessas medições, foi derivada uma nova correlação semiempírica para a densidade da geada. Esta correlação demonstrou o melhor desempenho entre todos os modelos recentes da literatura avaliados, prevendo 98% dos dados experimentais dentro de uma margem de erro de 20%. Finalmente, o estudo avaliou modelos físicos de formação de geada. O modelo algébrico de Hermes (2012), que utiliza a temperatura da superfície da geada (Tf) como entrada para a densidade, apresentou a melhor concordância geral com os dados, com 95% dos pontos dentro de uma margem de 20%, tanto para massa quanto para espessura. Foi verificado também que o modelo de Hermes (2012) é capaz de prever a variação de espessura ao longo do canal devido ao processo natural de desumidificação do ar. Um novo modelo baseado na correlação de densidade proposta neste trabalho, também foi desenvolvido e mostrou-se uma alternativa para simulações de baixo custo computacional e fácil implementação.

Abstract: This work addresses the experimental evaluation of frost growth and densification in parallel plate channels, focusing specifically on the operating conditions typical of household evaporator coils. A literature review revealed that existing correlations for frost density, when extrapolated to such conditions, exhibit discrepancies, with thickness predictions varying by up to 100 times among them. To fill this gap, an experimental apparatus (vertical wind tunnel) was designed and built, capable of controlling air velocity, temperature, and humidity, in addition to the test surface temperature. The frost mass was determined by air-side mass balancesfrom psychrometric measurements at the inlet and outlet of the test section, and the thickness was measured by a visualization system with a camera and image processing. 46experimental tests were carried out, which allowed characterizing the effects on frost thickness, mass, and density, of the operational parameters: absolute humidity difference (??); surface temperature (Tw); overtemperature(OT); air velocity (u); distance between surfaces (Fp); and formation time (t). Based on these measurements, a new semi-empirical correlation for frost density was derived. This correlation demonstrated the best performance among all recent literature models evaluated, predicting 98% of the experimental data within a 20% error margin. Finally, the study evaluated physical models of frost formation. Hermes (2012) algebraic model, which uses the frost surface temperature (Tf) as input for density, showed the best overall agreement with the data, with 95% of the points within a 20% margin, for both mass and thickness. It was also verified that Hermes (2012) model can predictthe variation of thickness along the channel due to the natural air dehumidification process. A new model based on the density correlation proposed in this work was also developed and proved to be an alternative for low computational cost and easy implementation simulations.