Estudos experimentais de análise do desempenho termodinâmico e eficiência energética de equipamentos de refrigeração em climas tropicais

Abstract

A análise do desempenho termodinâmico e eficiência energética de equipamentos de refrigeração em climas tropicais é onde incide o foco deste trabalho. Os ensaios experimentais realizados tiveram o objetivo de mensurar as diferenças de desempenho de expositores refrigerados abertos e fechados com portas de vidro, de média e baixa temperatura em função do clima sob o qual se encontram em operação. A indústria mundial de desenvolvimento de expositores refrigerados utiliza a condição climática de ar ambiente com temperatura de 25°C com 60% de humidade relativa (classe climática n.°3), como limite máximo admissível para o bom funcionamento e operação destes equipamentos. Assim sendo, será analisado o desempenho global de expositores refrigerados sob funcionamento em climas tropicais, definida neste trabalho como sendo a condição climática de ar ambiente de temperatura 27°C com 70% de humidade relativa (classe climática n.°6), que excede o limite tido como padrão. A necessidade desse estudo vem da realidade de operação deste tipo de equipamentos que pode ocorrer nas mais adversas situações, principalmente em ambientes de lojas sem condicionamento de ar e em cidades litorais localizadas em países de clima tropical. Os ensaios experimentais em equipamentos abertos quantificaram, em função da alteração da classe climática n.°3 para n.°6 na qual o expositor está inserido, a necessidade de diminuição no sobreaquecimento do fluido refrigerante que circula no evaporador, de modo a reduzir a temperatura média na descarga de ar (-0,5°C) e manter a temperatura de conservação dos produtos dentro dos limites regulamentais, mas com aumento da massa total de água condensada entre as alhetas no evaporador (+47%). Tem-se também uma maior formação de gelo entre as alhetas do evaporador, que afeta significativamente a distribuição de ar, a diferença de pressão do ar através do evaporador (+38%) e impacta na taxa de redução do caudal de ar circulante (-66%), relativamente à condição do evaporador livre de gelo durante o período de operação. Com a alteração da classe climática n.°3 para n.°6, ocorre aumento das cargas térmicas sensível (+10%), latente (+46%) e total (+25%). Evaporadores com mesma área de troca térmica e diferentes configurações de alhetas, com espaçamento não-uniforme, foram projetados com o objetivo de reduzir a quantidade de gelo formado (-18%) e consequentemente aumentar o tempo de operação antes da descongelação. No entanto, devido à redução do tempo de residência entre o ar e as alhetas, a permuta térmica mostrou-se menos eficiente (-14%), prejudicando a temperatura média do ambiente refrigerado (+0,7°C). Portanto, os evaporadores com espaçamento não uniforme só se mostrarão eficazes com aumento da área de troca térmica. A formação de água e gelo, ou seja, a carga térmica latente é energia gasta na condensação e congelação do vapor de água presente no ar ambiente e em nada contribui para a refrigeração dos produtos. Desse modo, os expositores verticais fechados com portas de vidro foram analisados. Ao alterar a classe climática n.°3 para n.°6, a massa de água condensada no evaporador aumenta (+45%) e a carga térmica aumenta (+11%), se existirem frestas de 6 mm entre as portas de vidro. A existência destas frestas pode decorrer da requalificação de equipamentos abertos ou como solução técnica para redução da condensação nas superfícies vidradas. Sem a influência das frestas, os valores alteram para 41% e 9%, respectivamente. As presença das frestas tem impacto direto nas temperaturas médias do ar e, consequentemente, no Fator de Infiltração de Ar (TEF) que aumenta (+48%) sob a classe climática n.°6. A partir dos resultados obtidos, defende-se o uso das portas em climas adversos, devido à diminuição da carga latente (-90%), à redução na temperaturas dos produtos (-1,5°C) e à redução de carga térmica (-75%). Por fim, a análise da influência do clima tropical foi estendida ao ambiente interno (classe climática) e externo num equipamento refrigerado vertical fechado com portas de vidro de baixa temperatura, com compressor incorporado ao móvel e condensação a água. Ao manter a temperatura média de condensação do fluido refrigerante em 50°C, o consumo de energia do compressor aumenta (+10%), quando a classe climática é alterada da n.°3 para n.°6 e a temperatura dos produtos aumenta (+3,0°C). Independente da classe climática, o aumento da temperatura média de condensação de 45ºC para 50°C, leva ao aumento do consumo de energia do equipamento (+8%) e da temperatura dos produtos (+1,6°C). Dos resultados obtidos obtém-se uma melhoria significativa na compreensão dos fenómenos físicos envolvidos e do real impacto do incremento de temperatura e humidade relativa do ar ambiente na eficiência global dos expositores refrigerados. Evidencia-se que o clima tropical impacta de maneira extremamente negativa o desempenho global de expositores refrigerados, podendo prejudicar a conservação dos alimentos se uma nova regulação dos parâmetros de funcionamento não for realizada e, portanto, o benefício energético do uso de portas vai de encontro com a perspetiva de desenvolvimento global sustentável. A variação da temperatura do ar ambiente externo afeta significativamente o desempenho dos equipamentos de refrigeração com compressor incorporado e condensação a água e, portanto, no caso da aplicação em locais com elevada amplitude climática, é necessário levar em consideração maiores folgas de dimensionamento nos componentes a fim de atender todas as situações de operação. Nesta perspetiva, o conteúdo exposto neste trabalho fornece uma base sólida de conhecimento da operação de equipamentos expositores refrigerados em condições de clima tropical (elevada temperatura e humidade relativa do ar), que são de extrema valia para novos desenvolvimentos tanto de formas de controlo, regulação e comando baseadas nas variações das grandezas físicas envolvidas em cada uma das condições de clima experimentadas e quanto à seleção e dimensionamento de componentes para operar na condição mais adversa de clima. Os resultados experimentais aqui apresentados orientam como proceder de forma a garantir o funcionamento adequado do equipamento, que garantirá qualidade de temperatura aos produtos expostos, em condições climáticas que ultrapassam o limite definido mundialmente como padrão para homologação de expositores refrigerados, que são comumente encontrados em países de clima tropical.

The analysis of thermodynamic performance and energy efficiency of refrigeration equipment in tropical climates is the focus of this thesis. Experimental tests were conducted to measure the performance differences of open and glass doors refrigerated display cabinets for medium and low temperature depending on the climate classification around the equipment. The worldwide industry devoted to the development of refrigerated display cases apply the climate condition of 25°C temperature and 60% relative humidity of air ambient (climate class n.°3) as the maximum allowable limit for the proper performance and operation of these equipment. Thus, the overall performance of refrigerated displays cases will be analyzed under tropical climates, determined in this work as 27°C temperature and 70% of relative humidity of the ambient air (climate class n.°6), which exceeds the standard limit. The need for this study comes from real observations on the adverse environmental where these type of equipment can operate, mainly in stores without air conditioning located in tropical climate coastal cities. Experimental tests performed in open display cases are developed to quantify, due the change of climate class n.°3 to n.°6, the necessity of reduction in the superheat of the circulating refrigerant on the evaporator, in order to reduce the average discharge air temperature in -0,5°C and keep constant the storage product temperature. The total condensed water mass between the evaporator fins increases +47%. As the total condensed water mass is increases and the evaporator temperatures are negative, there is a greater frost formation between the evaporator fins which significantly affects the air distribution, the air pressure diference through the fins (+38%) and impacts on the circulating air flow reduction rate (-66%) in comparison with the frost-free evaporator. As climate class goes from n.°3 to n.°6, the sensible heat load increases (+10%), the latent heat load increases (+46%) and the total heat load increases (+25%). Evaporators with the same thermal exchange area and different non-uniform fins patterns were designed to reduce the amount of frost formation (-18%) and consequently increase the operating time betwwen defrosts. However, due the reduced resident time between the air and the fins, the heat exchange efficiency decreases (-14%), increasing the average temperature of the refrigerated environment (+0,7°C). The evaporadors with non uniform fins pattern will only be effective increasing the thermal exchange area. The water and frost formation, i.e., the latent heat load is spent energy on the ambient air water vapour condensating and freezing and does not contribute to the products refrigeration. Thus, the overall performance of vertical refrigerated display cases with glass doors were analised from the climatic condition point of view. By changing the climate class from n.°3 to n.°6, the evaporator condensed water mass increases (+45%) and the heat load increases (+11%) if a 6 mm gap exists between the doors. The existence of these gaps can be due to the retrofit of open equipment or as a technical solution to reduce condensation on glazed surfaces.Without the gaps, the values are +41% and +9%, respectively. The presence of the gaps impacts on the air temperatures and consequently on the Thermal Entrainment Factor (TEF) which rises (+48%) under climate class n°6. The use of doors in aggressive climates is supported by reductions in the latent load (-90%), product temperatures (-1,5°C) and heat load (-75%). Finally, the analysis of the tropical climate influence was extended to the internal (climate class) and external environmental on a self-contained vertical refrigerated display cases with glass doors for low temperature with water condensating unit. By keeping the refrigerant average condensing temperature at 50°C and changing the climate class n.°3 to n.°6, the compressor energy comsumption increases (+10%) and the product temperatures decreases (-3,0°C). Change the climate class leads to a new quantity of daily defrosts due the excess of the frost formation on the evaporator coil. Regardeless of the climatic class, by increasing the average condensing temperature from 45°C to 50°C, the compressor energy consumption increases (+8%) as well as the product temperature (+1,6°C). The obtained results show a significant improvement in the comprehension of the physical phenomena involved and the real impact of the increase of temperature and relative humidity of the external environmental in the global efficiency of the open display cases. From the experimental tests analysis, it is evident that the climate has an extremely negative impact on the overall performance of refrigerated display equipment, and may jeopardize food preservation if a new adjustment of the operating parameters is not regulated. Thus, the energy benefit of the door use allows the prospect of sustainable global development. The external environment air temperature variation significantly affects the performance of the self-contained refrigeration equipment with water condensing unit. Therefore, in the case of high climatic amplitude environment, it is necessary to ensure that the components will achive the needed capacity in the most adverse operating conditions. In this perpective, the exposed information in this Thesis provides a solid basis of knowledge about the refrigerated display cases operation in tropical climate conditions (high air temperature and relative humidity) that are relevante for new developments in control, regulation and command methods based in the physical variables involved in each climate condition experienced and, simultaneously at the components design to operate in the most adverse climate condition. The presented experimental results guide how to ensure the proper operation os the equipment, which will guarantee temperature quality to the products exposed in climate conditions that exceed the standard worldwide climate conditions of development refrigerated display cases, that are commonly found in tropical climate countries.

Equipamentos Expositores Refrigerados Portas de Vidro Eficiência Energética Global Climas Tropicais Estudo Experimental Evaporadores de Refrigeração Condensação e Congelação de Água