Uma metodologia para análise de secadoras de roupas domésticas com bomba de calor

Abstract

Apresenta-se nesta tese uma análise teórica e experimental sobre secadoras de roupas que operam com bomba de calor, que se destacam como a tecnologia mais promissora para alcançar elevados níveis de eficiência energética. Na parte experimental, duas secadoras foram testadas em condições de massa de roupa seca de 2,5, 4 e 8 kg, e teor inicial de umidade (TIU) no tecido de 45%, 60% e 75%. Identificou-se que o consumo de energia e o tempo de secagem tiveram uma relação praticamente linear tanto com a massa de roupa seca quanto com o TIU. Foram empregadas técnicas modernas de instrumentação para medir os processos de transferência de calor e massa durante os testes de secagem. Os resultados permitiram identificar uma queda de até 20% na vazão de ar devido ao acúmulo de fiapos nos filtros, e que a temperatura das roupas se aproxima da temperatura de bulbo úmido do ar na entrada do tambor. Além disso, desenvolveu-se um modelo matemático quase-estático para prever o desempenho do sistema, abordando a bomba de calor em regime permanente e o processo de secagem em regime transiente. O processo de secagem de roupas foi modelado com uma abordagem convectivo-dominante, introduzindo uma solução para estimar os coeficientes de transferência de calor e massa independente de ensaios experimentais. O modelo foi capaz de prever satisfatoriamente o comportamento transiente das principais variáveis operacionais, com desvios da ordem de ±3°C para as temperaturas e ±10% para o consumo de energia e o tempo de secagem, em um total de dez condições operacionais em duas secadoras diferentes. Realizou-se ainda uma análise de sensibilidade, com a identificação do impacto de alterações nos componentes sobre o consumo de energia e o tempo de secagem, revelando cenários promissores de otimização. Por fim, foi possível validar as tendências apresentadas pelo modelo matemático, ajustando o espaçamento entre as aletas do evaporador de uma secadora, resultando em uma redução do consumo de energia em 9% e do tempo de secagem em 7%.

Abstract: This thesis presents a theoretical and experimental analysis of household heat pump clothes dryers, which stand out as the most promising technology for achieving higher levels of energy efficiency. In the experimental side, two dryers were tested under conditions of clothes load of 2.5, 4, and 8 kg, and initial moisture content (IMC) of 45%, 60%, and 75%. It was observed that the energy consumption and the drying time showed an approximate linear relationship with both the clothes load and the IMC. Modern instrumentation techniques were employed to measure the processes of heat and mass transfer during the drying tests. The results identified a decrease of up to 20% in airflow due to the accumulation of lint in the filters, and that the temperature of the clothes approaches the wet bulb temperature of the air at the drum's inlet. Furthermore, a quasisteady mathematical model was developed to predict the system's performance, addressing the heat pump in steady-state and the drying process in transient conditions. The drying process was modeled using a convective-dominant approach, introducing a solution to estimate the coefficients of heat and mass transfer independent of experimental trials. The model was able to satisfactorily predict the transient behavior of the main operational variables, with deviations in the order of ±3°C for temperatures and ±10% for energy consumption and drying time, across a total of ten operational conditions in two constructively different dryers. A sensitivity analysis was also conducted, identifying the impact of changes in components on energy consumption and drying time, revealing promising optimization scenarios. Finally, it was possible to validate the trends presented by the mathematical model by adjusting the fin pitch of a dryer?s evaporator, resulting in a 9% reduction in energy consumption and a 7% reduction in drying time.