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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 Referências: • W. 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Slide 1 Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Slide 11 Slide 12 Slide 13 Slide 14 Slide 15 Slide 16 Slide 17 Slide 18 Slide 19 Slide 20 Slide 21 Slide 22 Slide 23 Slide 24 Slide 25 Slide 26 Slide 27 Slide 28 Slide 29 Slide 30 Slide 31 Slide 32 Slide 33 Slide 34 Slide 35 Slide 36 Slide 37 Slide 38 Slide 39 Slide 40 Slide 41 Slide 42 Slide 43 Slide 44 Slide 45 Slide 46 Slide 47 Slide 48 Slide 49 Slide 50 Slide 51 Slide 52 Slide 53 Slide 54 Slide 55
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