Análise teórico-experimental de condensadores arame sobre tubo sob convecção forçada para refrigeradores domésticos

Abstract

O desenvolvimento de trocadores de calor compactos para aplicações em refrigeração doméstica tem sido o foco de diversos estudos, isso devido ao seu impacto na redução de custos e de consumo de energia, além de um melhor aproveitamento do espaço ocupado pelos componentes dos sistemas de refrigeração. Este espaço deve ser reduzido ao máximo para permitir um aumento do volume útil de armazenamento do refrigerador sem alterar as dimensões externas do produto. Devido ao seu baixo custo de manufatura, condensadores arame sobre tubo continuam como a opção mais vantajosa para a refrigeração doméstica. Tradicionalmente, tais trocadores de calor são projetados para operar sob convecção natural. No entanto, para altas capacidades de refrigeração, os benefícios da maior compacidade dos condensadores de convecção forçada acabam por superar o ônus do bombeamento do ar externo pelo trocador. Realizou-se inicialmente neste trabalho uma busca na literatura por configurações compactas de trocadores arame sobre tubo para posterior avaliação de seu desempenho termo-hidráulico. A configuração escolhida para análise (Ohgaki, 2002) foi aquela dotada da maior área de troca térmica por unidade de volume ocupado. Nela foram identificadas as principais características geométricas (número de passes de tubo e espaçamentos radial, entre arames e longitudinal), cujo efeito sobre o desempenho termo-hidráulico foi avaliado por meio da construção e teste de dezesseis protótipos. Um calorímetro de túnel de vento de circuito aberto foi projetado e construído, e medições de condutância térmica e de queda de pressão no lado do ar foram realizadas para valores típicos de vazão de ar encontrados em condensadores de convecção forçada. Os dados foram correlacionados em função de parâmetros adimensionais, como o fator j de Colburn e o fator de atrito de Fanning. Os coeficientes das correlações foram regredidos a partir das características geométricas com base no método proposto por Montgomery (2001). A regressão mostrou uma boa concordância com os dados experimentais, com erros máximos de 9,4% para a transferência de calor e 14,2% para a queda de pressão. Finalmente, uma análise quantitativa para a seleção da configuração mais viável do ponto de vista da aplicação é discutida.

The development of compact heat exchangers for domestic refrigeration applications has been the focus of several studies thanks to its impact in reducing material costs and energy consumption. It also allows for a more effective usage of the space occupied by the cooling system components, which increases the net storage volume of the refrigerator without changing the external dimensions of the product. Due to its low manufacturing cost, wire-on-tube heat exchangers are still the most advantageous condenser type for household refrigeration applications where, traditionally, natural convection is the dominant heat transfer mode. However, for high cooling capacity applications, the potential benefits of more compact forced convection wire-on-tube condensers illustrated above seem to overcome the costs and energy consumption involved in pumping the external air through the condenser. The starting point of the present work was a literature search for compact wire-on-tube heat exchanger configurations which would be subsequently evaluated on the basis of its thermal-hydraulic performance. The configuration chosen for a more in-depth analysis (Ohgaki, 2002) was the one with the largest heat transfer area per unit volume. The main geometric parameters were identified, namely, the number of tube passes, the radial, longitudinal and wire spacings, and their effect on the thermal-hydraulic performance has been assessed by means of the construction and testing of sixteen prototypes. An open-loop wind-tunnel calorimeter was designed and built, and measurements of thermal conductance and pressure drop on the air side were carried ou for values of air flow rate typical of those found in forced convection condensers. The data were correlated in terms of dimensionless parameters like the Colburn j-factor and the Fanning friction factor. The coefficients of the correlations were regressed based on the geometric parameters using the method proposed by Montgomery (2001). The agreement with the experimental data presented maximum errors of 9.4% for the heat transfer and 14.2% for the pressure drop. Finally, a quantitative analysis to provide the most viable configuration from the point of view of the application is discussed.