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novas tecnologias de trocadores de calor para a reduo da carga de fluido refrigerante

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Novas Tecnologias em Troca-
dores de Calor para a Redução 
da Carga de Fluido Refrigerante
DIFUSDIFUSÃÃO DO USO DE REFRIGERANTES ALTERNATIVOS O DO USO DE REFRIGERANTES ALTERNATIVOS 
EM SISTEMAS DE REFRIGERAEM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃÇÃO E AR O E AR 
CONDICIONADOCONDICIONADO
Recife, PERecife, PE
28 de maio de 200928 de maio de 2009
CoordenaCoordenaçãção: Ministo: Ministéério do Meio Ambiente e PNUDrio do Meio Ambiente e PNUD
 Energia Limpa ???:Energia Limpa ???: 
• Energia EEnergia Eólicaólica
• Energia HidráulicaEnergia Hidráulica
• Célula CombustívelCélula Combustível
• Energia NuclearEnergia Nuclear
• … …....
Energia Energia Ñ GeradaÑ Gerada
 TTóópicos:picos: 
• Introdução;
• Evaporação em Película Descendente (EPD); 
Micro-Canais;
• Conclusões;
 Sistemas Automotivos:Sistemas Automotivos: 
IntroduIntroduçãoção | EPD | Micro-Canais | Conclusões
• selo de vedaselo de vedaçãção o 
(compressor aberto);(compressor aberto);
• tubos flextubos flexííveis veis 
(rachaduras);(rachaduras);
• conexconexõões meces mecâânicas nicas 
(vibra(vibraçãção);o);
Maior Fonte de EmissMaior Fonte de Emissãão de R134a nos EUA [1]o de R134a nos EUA [1]
perda refrigerante 
(gramas/ano)
fre
qu
ên
ci
a
Estudo na UE com Estudo na UE com 
276 autom276 automóóveisveis
[1][1]
1/341/34
 Sistemas Automotivos:Sistemas Automotivos: 
52,4 gramas/ano (6,9%da carga de refrigerante)52,4 gramas/ano (6,9%da carga de refrigerante)
fabricantes (codificados)
 sistemas pequenos sistemas pequenos ⇒⇒ 
perdas reduzidas perdas reduzidas 
(6,5% / ano);(6,5% / ano);
 sistemas grandes sistemas grandes ⇒⇒ 
perdas superiores perdas superiores 
(7,7% / ano);(7,7% / ano);
 local (probabilidade de local (probabilidade de 
corroscorrosãão) e intensidade de o) e intensidade de 
uso uso ⇒⇒ efeito marginal efeito marginal
 DiferenDiferençças entre as entre 
fabricantesfabricantes
 COCO2 2 ⇒⇒ 3 - 15 MPa (435 - 3 - 15 MPa (435 - 
R134a R134a ⇒⇒ 0,2 to 1 MPa (29 – 145) 0,2 to 1 MPa (29 – 145)
2175)2175)
pe
rd
as
 re
fri
ge
ra
nt
e 
(g
ra
m
a/
an
o)
120
100
 80
 60
 40
 20
≈≈3 x3 x
[1][1]
CalifCalifóórnia (todas perdas)rnia (todas perdas)
80 gramas/ano [2]80 gramas/ano [2]
IntroduIntroduçãoção | EPD | Micro-Canais | Conclusões 2/342/34
 RefrigeraRefrigeração Comercialção Comercial:: 
Sistemas de ExpansSistemas de Expansãão Direta [3]o Direta [3]
Carga em libras 6% Carga em libras 6% 
áárea em polrea em pol22 
Loja de 5000 m2 aproximadamente 
1600kg de refrigerante
Sistemas secundSistemas secundáário [3]rio [3]
Perdas de refrigerantePerdas de refrigerante
GeralmenteGeralmente
InstalaInstalaçõções es óótimastimas
30% / ano
15% / ano
2% / ano
Sistemas distribuSistemas distribuíídos dos 
(self contained) [3](self contained) [3]
<5% / ano
R12
R22
R404A R134aR502
R502
R417A
pe
rd
as
 re
fri
ge
ra
nt
e 
 
 
 
(%
 / 
an
o)
ano
Rede de supermercados 
na Suécia [2]
IntroduIntroduçãoção | EPD | Micro-Canais | Conclusões 3/343/34
 Refrigeração Doméstica [3]:
sistemas hermeticamente fechados;sistemas hermeticamente fechados;
perdas inferiores a 10% (lifetime).perdas inferiores a 10% (lifetime).
Países em Países em 
desenvolvimentodesenvolvimento
VariaVariaçõções na es na 
tenstensãão de o de 
alimentaalimentaçãçãoo
““Queima do Queima do 
compressor”compressor”
ManutenManutençãçãooPerdas superioresPerdas superiores
 Chillers [3]:
 perdas inferiores a 1% (lifetime).perdas inferiores a 1% (lifetime).
IntroduIntroduçãoção | EPD | Micro-Canais | Conclusões 4/344/34
 Fluido Secundário:
meio resfriadomeio resfriado
meio aquecidomeio aquecido
condensadorcondensador
evaporadorevaporador
583 kg de CFC 22 kg de HFC 
Palm [2] 
IntroduIntroduçãoção | EPD | Micro-Canais | Conclusões 5/345/34
 Concluindo:
IntroduIntroduçãoção | EPD | Micro-Canais | Conclusões 6/346/34
• vazamentos de refrigerantes svazamentos de refrigerantes sãão inevito inevitááveis veis 
independentemente HFC ou refrigerante natural;independentemente HFC ou refrigerante natural;
• as perdas sas perdas sãão reduzidas atravo reduzidas atravéés do decrs do decrééscimo do scimo do 
inventinventáário de refrigeranterio de refrigerante
 
• inventinventáário de refrigerante concentra-se nos trocadoresrio de refrigerante concentra-se nos trocadores
impacto impacto 
ambientalambiental
consumo consumo 
energiaenergia
vazamentosvazamentos
SoluSoluçãçãoo FluidosFluidos secundsecundááriosrios
Sistemas Sistemas 
++ 
eficienteseficientes
Trocadores Trocadores 
++ 
compactoscompactos
 Evaporador Tipo Película Descendente 
(EPD):
injetor
refrigerante
aspergido
carcaça do 
evaporador
fluido sendo
resfriado
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 7/347/34
Saiz-Jabardo [4] 
 EPD vs. Evaporadores Inundados:
• coeficiente de troca superior;
• inventário reduzido;
• perda de carga desprezível
Entretanto!!!!!!Entretanto!!!!!!
secagem dasecagem da
redureduçãção dro dráástica do stica do 
desempenho do trocadordesempenho do trocador
• redução do tamanho do trocador
• redução de custos iniciais e 
operacionais
• ampliação para o uso de refrige-
rantes considerados tóxicos
superfsuperfícieície
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 8/348/34
ComparaComparaçãção entre um EPD com o entre um EPD com 
capacidade de 3168 kW e um capacidade de 3168 kW e um 
evaporador inundado evaporador inundado 
equivalente, Ayub [5]equivalente, Ayub [5]
superfsuperfíície intensificadora em cie intensificadora em 
aaçço carbono, Ayub [5]o carbono, Ayub [5]
 EPD vs. Evaporadores Inundados:
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 9/349/34
 EPD vs. Evaporadores Inundados:
Gonzalez-Garcia, Saiz-Jabardo e Stoecker [6] 
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 10/3410/34
Evaporador Evaporador 
de placasde placas Ñ brasadosÑ brasados
BrasadosBrasados
• vazamentos
integridade do 
material das juntas 
ñ podem ser limpas 
mecanicamente
• condições livres de 
incrustações
mais compactos
coeficientes de 
troca elevados 
• coeficientes de troca de calor superiores
• inventário de refrigerante reduzido
• perda de carga reduzida
EPDEPD
 EPD vs. Evaporadores Inundados:
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 11/3411/34
 Valores para Alguns Coeficientes de 
Troca:
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 12/3412/34
Ribatski [7] 
 Coeficiente de Troca em EPDs:
Tubo liso - Tubo liso - 
R134a, R134a, 
TTsatsat=5=5ooC e C e 
ΓΓ=250 g/ms, =250 g/ms, 
Ribatski e Ribatski e 
Thome [8]Thome [8]
h=13.4kW/m2K
h=17.4kW/m2K
h=15.3kW/m2K
h=19.3kW/m2K
h=11.4kW/m2K
h=15.7kW/m2K
h=13.5kW/m2K
h=8.5kW/m2K
h=11.9kW/m2K
h=10.2kW/m2K
q=20 kW/m2 q=40 kW/m2 q=60 kW/m2
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 13/3413/34
 Coeficiente de Troca em EPDs:
Gewa-B - Gewa-B - 
R134a, R134a, 
TTsatsat=5=5ooC e C e 
ΓΓ=250 g/ms, =250 g/ms, 
Ribatski e Ribatski e 
Thome [8]Thome [8]
h=21.5kW/m2K
h=21.5kW/m2K
h=24.0kW/m2K
h=18.7kW/m2K
h=19.3kW/m2K
h=21.1kW/m2K
h=17.6kW/m2K
h=20.5kW/m2K
h=20.4kW/m2K
q=20 kW/m2 q=40 kW/m2 q=60 kW/m2
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 14/3414/34
 Coeficiente de Troca em EPDs:
h=47kW/m2K
h=48kW/m2K
h=52kW/m2K
h=44kW/m2K
h=54kW/m2K
h=53kW/m2K
h=46kW/m2K
h=56kW/m2K
h=53kW/m2K
High-Flux, Hitachi - R134a, High-Flux, Hitachi - R134a, TTsatsat=5=5ooC e C e ΓΓ=250 g/ms,Ribatski e Thome [8]=250 g/ms, Ribatski e Thome [8]
q=60 kW/m2 q=40 kW/m2 q=20 kW/m2
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 15/3415/34
ss=22.3mm, =22.3mm, DD=19mm, R134a, =19mm, R134a, TTsatsat=5=5ooC, C, 
qq=20kW/m=20kW/m22K K 
Roques e Thome [9]Roques e Thome [9] Habert [10]Habert [10]
ss=22.3mm, =22.3mm, DD=19mm, R236fa, =19mm, R236fa, TTsatsat=5=5ooC, C, 
qq=20kW/m=20kW/m22K K 
 Coeficiente de Troca em EPDs:
µ
Γ
=
4Re
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 16/3416/34
 Secagem de Parede:
Tubo liso, Tubo liso, 
R134a, R134a, 
TTsatsat=5=5ooC e C e 
q=40kW/mq=40kW/m22, , 
Ribatski e Ribatski e 
Thome [8]Thome [8]
q=20 kW/m2
h=11.0kW/m2K
h=15.2kW/m2K
h=10.5kW/m2K
h=10.6kW/m2K
h=13.9kW/m2K
h=7.8kW/m2K
h=11.4kW/m2K
h=15.7kW/m2K
h=13.5kW/m2K
Γ=250g/msΓ=160g/msΓ=60g/ms
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 17/3417/34
 Análise Coeficiente de Troca Interno:
H2O
R134a
R134a
Dint
hext
hint
exthhU
111
int
+=
50 kW/m50 kW/m22KK
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 18/3418/34
 Técnicas para Intensificação da Troca 
Interna:
Fita 
Retorcida
Tubo
• redução do Dh
• escoamento espiral e incre-
mento da velocidade tang.
• perda de carga elevada
• superfícies extrudadas
• maior área transferencia
• bom contato ⇒ fita = aleta
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 19/3419/34
Webb [12] 
 Técnicas para Intensificação da Troca 
Interna:
• pouco contato com a parede 
do tubo
• perda de carga elevada
• escoamento laminar
• incremento área de troca
• eleva transferência de calor
• eleva perda de carga 
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 20/3420/34
Webb [12] 
 Técnicas para Intensificação da Troca 
Interna:
Carrier Super-BCarrier Super-B
Turbo-CTurbo-C
Sumimoto Tred-26DSumimoto Tred-26D
GEWA-SCGEWA-SC
Hitachi Thermoexcel-CCHitachi Thermoexcel-CC
GEWA-TWGEWA-TW
h/hp h/hp 
1,40 a 3,751,40 a 3,75
f/fp f/fp 
1,40 a 4,631,40 a 4,63
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 21/3421/34
Webb [12] 
 Bancada para Avaliação de Técnicas 
para Intensificação da Troca Interna:
Introdução | EPDEPD | Micro-Canais | Conclusões 21/3421/34
EESC-USP 
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 22/3422/34
 Centros de Processamento de Dados:Centros de Processamento de Dados: 
• 4% consumo energia el4% consumo energia eléétrica EUAtrica EUA
DDéécada de 90cada de 90 AtualmenteAtualmente
CustoCusto
• 70% 70% ⇒⇒ Eq. Infor- Eq. Infor-
mmááticatica
• 30% 30% ⇒⇒ Eq. Auxiliar Eq. Auxiliar
• 70% 70% ⇒⇒ Eq. Infor- Eq. Infor-
mmááticatica
• 30% 30% ⇒⇒ Eq. Auxiliar Eq. Auxiliar
• 2 Est2 Estáádios de dios de FutebolFutebol
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 22/3422/34
 Centros de Processamento de Dados:Centros de Processamento de Dados: 
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 22/3422/34
 Centros de Processamento de Dados :Centros de Processamento de Dados : 
ProtProtóótipo 3D - IBMtipo 3D - IBM
SoluSoluçãção Atualo Atual
 Micro-canais em Estudo na EESC-USP:
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 22/3422/34
 Micro-canais em Estudo na EESC-USP:
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 22/3422/34
 Definições de Microcanais:
 Mehendal et al.[13] 
 micro-canais (1 a 100µm); 
 meso-canais (100 meso-canais (100 µµm a 1mm),m a 1mm), 
 macro-canais (1 a 6mm) 
 canais convencionais 
(Dh>6mm)
 Kew e Cornwell [14] 
 Kandlikar e Grande 
[15]
 canais moleculares 
(0.1µm ≥Dh). 
 nano-canais de transição 
(1≥Dh>0.1µm);
 micro-canais de transição 
(10≥Dh>1µm) 
 micro-canais (200≥Dh>10µm);
 mini-canais mini-canais 
(3mm(3mm≥≥DhDh>200>200µµm);m);
 canais convencionais 
(Dh>3mm); ( )vltr gD ρρ
σ
−
= 2
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 23/3423/34
 Definições de Micro-canais:
anular
pistonado
estratificado-ondulado
estratificado-liso
Bandarra Filho e Barbieri [16]
R134a, Tsat=5oC, Dext=9,52mm
 
 pistonadopistonado; ; 
 bolhasbolhas 
alongadasalongadas;;
 agitanteagitante;; 
 anularanular;;
Grupo de Trocadores de 
Calor/ EESC-USP
R134a, Tsat=30oC, Dint=2,32mm
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 24/3424/34
 Definições de Micro-canais:
Cheng-Ribatski-Wojtan-Thome [19]
Yoon et al. [17], D = 7.35 mmD = 7.35 mm, Tsat = 0 °C, 
G = 318 kg/m2s, q = 16.4 kW/m2, CO2
Yun et al. [18], D = 1.14 mmD = 1.14 mm , Tsat = 5 °C, 
G = 400 kg/m2s, q = 20 kW/m2, CO2
C
oe
fic
ie
nt
e 
de
 tr
oc
a 
de
 c
al
or
kW
/m
2 K
título de vapor título de vapor 
Dados experimentais
Modelo
O que O que éé micro, macro, mini ???? micro, macro, mini ????
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 25/3425/34
 Estudo de Motivação:
Análise do efeito da diminuição do diâmetro man-
tendo ∆p e LMTD para Q (W/m2) e V (m3/s) fixos
HIPHIPÓTESEÓTESE Escoamento laminar desenvolvido
1ctek
hdNu ==
TransferTransferêência de Calorncia de Calor
d
h
d
cteh 12 ∝⇒=
Lei do Resfriamento de Newton
( ) ( ) LMTDnLd
d
cteLMTDnLdhLMTDAhQ pipi 2===
fixofixo
( ) 3ctenL =⇒
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 26/3426/34
Palm [20] 
 Estudo de Motivação (continuação):
Perda de CargaPerda de Carga
( ) d
L
d
Vu
du
cte
d
Luctep canal 







==∆
4Re 2
424
pi
ρ
ν
ρ
ν
du
=Re
p/ Vcanal fixo
u
4
1
d
p ∝∆
Escrevendo como função de Vtotal
4
5
d
Ln
Vcte
p
total 


=∆
ρν
fixo
fixo
64 ctedn
L
=⇒
( )
n
cteLctenL 33 =⇒=
642
3 cte
dn
cte
=⇒ ctedn =⇒ 42
ctedn =2
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 27/3427/34
Palm [20] 
 Estudo de Motivação (continuação):
CONCLUSCONCLUSÃOÃO ctedn =2
para Q (W/m2) e V (m3/s) fixos 
mantendo ∆p e LMTD
2
2
1
1
2 



=
d
d
n
n
2
1
2
1
2 



=
d
d
Vol
Vol
2
1
2
1
2 



=
d
d
L
L
1/4
1/4
4
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 28/3428/34
 Estudo de Motivação (continuação):
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 29/3429/34
EvaporaEvaporaçãção no interior de tubos, To no interior de tubos, Tsatsat=22=22ooC, R134aC, R134a
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 29/3429/34
 Processamento de Gás Natural:Processamento de Gás Natural: 
Ilha de Pagerungan, IndonIlha de Pagerungan, Indonéésia. sia. (doc. HEATRIC)(doc. HEATRIC)
108 Tons 20 Tons108 Tons 20 Tons
15 M$ economizado15 M$ economizado
 Micro-Canais vs. Macro-
Canais:
coeficiente de troca superior
• operação em pressões 
elevadas
• razões elevadas entre área de 
 
 
 
 
 contato 
e volume do trocador
• redução do tamanho do trocador
• redução de custos iniciais e 
operacionais
• ampliação para o uso de refrige-
rantes considerados tóxicos
• bombas de calor (carga 
compressor ≈ carga 
trocadores, Palm[2])
ar-condicionado automotivo
• resfriamento de dispositivos 
eletrônicos
• lasers de alta potência
• células de energia
 Aplicações Atuais
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais| Conclusões 30/3430/34
 Aplicações de Micro-canais:
• Micro-canais de alumínio, condensadores automotivos 
tubo extrudado
tubo extrudado com 
corrugações inseridas
tubo manufaturado através do processo 
de brasagem de uma placa corrugada 
entre duas lisas
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 31/3431/34
Webb [12] 
 Aplicações de Micro-canais:
• Micro-canais de alumínio, condensadores automotivos 
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 32/3432/34
Webb [12] 
 Bancada para a avaliação de Trocado-
res de Calor Compactos EESC-USP:
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 32/3432/34
 Bancada para a avaliação de Trocado-
res de Calor Compactos EESC-USP:
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 32/3432/34
 Bancada para a avaliação de Trocado-
res de Calor Compactos EESC-USP:
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 32/3432/34
 Aplicações de Micro-canais:
• Resfriamento componentes eletrônicos Cullion et al. [23]Cullion et al. [23]
Kuo and Peles [24]Kuo and Peles [24]
ProtProtóótipo / LTCM-EPFLtipo / LTCM-EPFL
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 33/3433/34
Introdução | EPD | Micro-CanaisMicro-Canais | Conclusões 33/3433/34
 DistribuiDistribuiçãção de Micro- Canais em Estudo na EESC:o de Micro- Canais em Estudo na EESC: 
 Conclusões:
Introdução | EPD | Micro-Canais | ConclusConclusõõeses 34/3434/34
• Vazamentos sVazamentos sãão inevito inevitááveis e elevam-se com o veis e elevam-se com o 
inventinventáário de refrigeranterio de refrigerante
• ReduReduçãção do invento do inventáário de refrigerantes atravrio de refrigerantes atravéés do s do 
desenvolvimento de trocadores de calor e utilizadesenvolvimento de trocadores de calor e utilizaçãção de o de 
fluidos secundfluidos secundááriosrios
• EPDs proporcionam coeficientes de troca de calor EPDs proporcionam coeficientes de troca de calor 
elevados, reduzido inventelevados, reduzido inventáário de refrigerante e perda de rio de refrigerante e perda de 
carga carga 
• Tecnologia de micro-canais permite a intensificaTecnologia de micro-canais permite a intensificaçãção da o da 
transfertransferêência de calor, a reduncia de calor, a reduçãção do invento do inventáário de rio de 
refrigerante e trocadores de calor mais compactos para refrigerante e trocadores de calor mais compactos para 
uma mesma perda de cargauma mesma perda de carga
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