Universidade da Beira Interior Departamento de Engenharia Electromecnica
Universidade da Beira Interior Departamento de Engenharia Electromecânica ESTUDO NUMÉRICO E EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EQUIPAMENTOS EXPOSITORES REFRIGERADOS Pedro Dinis Gaspar Universidade da Beira Interior Covilhã e UBI, Julho 2002
Universidade da Beira Interior Departamento de Engenharia Electromecânica Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Sistemas de Produção e Conservação de Energia Realizada sob orientação cientifica de : Prof. Dr. Alexandre Borges de Miranda (Professor Auxiliar – Dept. º de Eng. ª Electromecânica - Universidade da Beira Interior) Prof. Dr. Rui António Pitarma Sabino Cunha Ferreira (Professor Coordenador –Dept. º de Eng. ª Mecânica-ESTG-Intituto Politécnico da Guarda)
INTRODUÇÃO Æ EXIGÊNCIA SOCIAL E ECONÓMICA: Uso racional de energia no sector comercial. Æ ELEVADO CONSUMO ENERGÉTICO: Necessidade de conservação em frio dos alimentos; Manutenção do perfeito estado sanitário e nutritivo. Æ DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS DE ANÁLISE: Minimização do consumo energético; Melhoria da performance dos equipamentos. a. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL; a. SIMULAÇÃO NUMÉRICA.
RELEV NCIA PRÁTICA DO PROBLEMA Æ EQUIPAMENTOS REFRIGERADOS ABERTOS: Característica: Inexistência de barreira física. Intuito: Visualização e Manuseamento de produtos. Æ SOLUÇÃO Aplicação de uma Cortina de Ar. Æ INCONVENIENTES Diversos problemas técnicos: Imperfeições da cortina de ar; Características geométricas dos equipamentos; Entre outros factores. . . Æ CONSEQUÊNCIAS Perda de capacidade: Aumento do Consumo Energético; Variação do valor da Temperatura de conservação dos produtros alimentares.
EQUIPAMENTOS EXPOSITORES ILHA MURAL VITRINE (Cortesia: JORDÃO Cooling Systems ®)
OBJECTIVOS Æ DESENVOLVIMENTO DE MODELO NUMÉRICO: Simulação do Desempenho Térmico de Equipamentos Expositores Refrigerados Abertos. Æ FINALIDADE Indicação de alterações de projecto: Uniformizar o campo de temperaturas interior; Melhorar a distribuição do escoamento; Reduzir o consumo energético. Æ VALIDAÇÃO DAS PREVISÕES NUMÉRICAS. Æ APLICAÇÃO DO MODELO: Casos de relevância prática.
MODELO COMPUTACIONAL VANTAGENS: Æ PROJECTO COM BASE CIENTIFÍCA: Prescinde de dimensionamento empirico; Permite realizar a avaliação local das propriedades. Æ MÉTODO EXPEDITO DE PREVISÃO; Æ FÁCIL ADAPTAÇÃO A NOVOS CASOS: Permite examinar modificações a efectuar nos equipamentos. Æ TÉCNICA DE ESTUDO: Custo mais reduzido; Tempo de desenvolvimento inferior.
METODOLOGIA DE ABORDAGEM Æ ENSAIOS EXPERIMENTAIS: Mural Aberto: Versão de Lacticínios Temp. : 3 -6 [ºC]; Sensibilidade relativamente ao funcionamento; Análise qualitativa de todos os parâmetros; Percepção da realidade antes de avaliar os resultados; Inclusão de características funcionais no modelo. Æ MODELAÇÃO FÍSICA E MATEMÁTICA; Æ VALIDAÇÃO DO MODELO COMPUTACIONAL; Validação experimental essencialmente qualitativa. Æ APLICAÇÃO EM PROBLEMAS DE ENGENHARIA.
ESTUDO EXPERIMENTAL Æ ENSAIOS EXPERIMENTAIS Secção I&D da JORDÃO Cooling Systems. Condições de Fronteira do Modelo: a. Medição Temperatura e Velocidade. Validação do Modelo: a. Medição Temperatura. Æ METODOLOGIA E ABORDAGEM Seguida pelo fabricante; Norma ASHRAE Standard 72 -1998. Method of testing open refrigerators.
ESTUDO EXPERIMENTAL Æ TÉCNICAS EXPERIMENTAIS E EQUIPAMENTOS Grandeza Técnica Experimental Termo-Anemometria Velocidade do Ar Termó-anemometro Termometria por Termopares Temperatura do Ar Termómetros digitais sonda: Termopar tipo T Temperatura Superficial Termometria por Termopares Termómetro digital: Cole Parmer sonda: Termopar de contacto tipo T Condições de fronteira do modelo. Validação das previsões numéricas.
ESTUDO EXPERIMENTAL Æ MEDIÇÕES DA VELOCIDADE E TEMPERATURA Disposição genérica dos dispositivos de sensorização no equipamento.
ESTUDO EXPERIMENTAL Æ MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS Zona Propriedades Insuflação Grelhas Aspiração Orifícios Paredes z=1277[mm] z=155[mm] SSE SPE SSI SFI SII Abertura ao ar ambiente U [m/s] 2, 5 1, 7 T [ºC] 1, 5 9, 1 1, 5 1, 0 - 1, 5 22, 7 20, 7 6, 6 6, 3 8, 1 25, 0
ESTUDO EXPERIMENTAL Æ TÉCNICAS EXPERIMENTAIS COMPLEMENTARES Objectivo Técnica Experimental Taxa de Renovação de Ar Gases Traçadores Temperatura Superficial Termografia por infravermelhos Gás: Hexafluoreto de Enxofre (SF 6) Analisador de Gases: Bruel&Kjaer Multi-Gas Monitor Type 1302 Câmara de Infravermelhos : NEC San–ei Thermo tracer TH 1100 Visualização Injecção de fumo do Escoamento Gerador de Fumo : Profog K-15 Avaliação auxiliar da distribuição das propriedades. Recolha fotográfica: Nikon F 60 –Filme 100 ASA
ESTUDO EXPERIMENTAL GASES TRAÇADORES 6 [ren/h] TERMOGRAFIA IV VISUALIZAÇÃO
MODELO FÍSICO E MATEMÁTICO Æ Formulação das Equações de Governo do Escoamento: TURBULENTO; BIDIMENSIONAL; NÃO ISOTÉRMICO. REGIME ESTACIONÁRIO; Æ Características do Fluido de Trabalho Ar: GÁS IDEAL; INCOMPRESSÍVEL; Diversas PROPRIEDADES CONSTANTES.
MODELO FÍSICO E MATEMÁTICO Æ EQUAÇÕES: Conservação de massa: Conservação de quantidade de movimento: Conservação de energia: Æ MODELO DE TURBULÊNCIA k- Fecho das Eq’s. Æ LEIS DE PAREDE Quantificação de efeitos viscosos e dos elevados gradientes das variáveis.
MODELO NUMÉRICO Æ Código de Dinâmica de Fluidos Computacional: PHOENICS. Æ Discretização: DIFERENÇAS FINITAS / Volumes de Controlo; Esquema HÍBRIDO. Æ Algoritmo de resolução numérica iterativa: SIMPLEST. Æ Características da Malha Computacional (50 x 240 VC’s): ORTOGONAL; DESLOCADA; NÃO UNIFORME.
MODELO NUMÉRICO Æ CONDIÇÕES DE FRONTEIRA Área Paredes Sólidas Tipo Origem Temperatura imposta Não Deslizamento Experimental Temperatura imposta Velocidade imposta k e impostas It imposta Abertura ao Ar Ambiente Temperatura imposta Pressão imposta Experimental Aberturas de Insuflação/Aspiração Prateleiras Produtos (Simuladores) Fluxo de calor nulo (Superfícies Adiabáticas) Fontes de Calor (Iluminação interior) Fluxo de calor imposto Q = 10 [W/m] Experimental Fabricante
RESULTADOS NUMÉRICOS Æ OBJECTIVO: Avaliação da distribuição dos campos de Velocidades e Temperaturas no interior do equipamento; Investigação de pontos de possível evolução técnica. Æ PREVISÕES: Distribuição do Campo de Velocidades: _Padrão das Linhas de Corrente; _Vectores de Velocidade. Distribuição do Campo de Temperaturas: _Contornos do Campo de Temperaturas global; _Contornos do Campo de Temperaturas interior.
RESULTADOS NUMÉRICOS Æ LINHAS DE CORRENTE e VECT. DE VELOCIDADE
RESULTADOS NUMÉRICOS Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Insuflação PREVISÕES: Æ Entrada de ar ambiente para o interior; Æ Grande recirculação na prateleira superior.
RESULTADOS NUMÉRICOS Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Aspiração PREVISÕES: Æ Perda substancial para o exterior de mistura de ar refrigerado com ar ambiente.
RESULTADOS NUMÉRICOS Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal Interior PREVISÕES: Æ Baixas velocidades que caracterizam o escoamento na zona de exposição dos produtos alimentares.
RESULTADOS NUMÉRICOS Æ DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS PREVISÕES: Æ Cortina de ar: Eficácia do dispositivo; Interacção térmica. Æ Abertura frontal: Zona inferior Saída de ar refrigerado.
RESULTADOS NUMÉRICOS Æ DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS PREVISÕES: Æ Grelha de insuflação: Temperatura mínima. Æ Área de exposição: Zona inferior T max; Zona média T const.
VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL ESTUDO COMPARATIVO Æ TENDÊNCIA GENÉRICA: Evolução muito aproximada; Boa concordância de resultados. Æ DESVIOS: Distribuição não uniforme: _Abertura Erro _Zona interior Erro Æ MODELO COMPUTACIONAL: Apresenta eficácia considerável. z=1213 [mm] z = 898 [mm] z = 388 [mm]
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ OBJECTIVO: Uniformização das propriedades físicas relevantes. Melhorar as condições de funcionamento através de alterações geométricas e funcionais da configuração. Æ Caso A : Aumento do diâmetro dos orifícios: A = 2 Grelha de insuflação: Conservação de massa U = 2, 1 [m/s] Æ Caso B : Configuração do Caso A. Perfuração e alteração dimensional das prateleiras.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Global Caso A PREVISÕES: Æ Melhor distribuição do escoamento.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ VECTOR DE VELOCIDADES: Grelha de Insuflação Caso A PREVISÕES: Æ Velocidade de Insuflação mais reduzida; Æ Atenuação da recirculação na prateleira superior.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Aspiração Caso A PREVISÕES: Æ Ligeira alteração da cortina de ar; Æ Perda para o exterior de mistura de ar refrigerado.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal Interior Caso A PREVISÕES: Æ Aumento substancial da circulação de ar refrigerado; Æ Redução da Temperatura entre as prateleiras.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURA Caso A PREVISÕES: Æ Desvio da Temperatura: 10 % ; Redução de 0, 7 [ºC]. Æ Maior uniformização do Campo de Temperaturas.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURA Caso A PREVISÕES: Æ Zona superior: Velocidade de Insuf. Temperatura & Atenuação da recirculação
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ Caso B : Caso particular (Caso A): a B = A = 2 a. Grelha de insuflação: Conservação de massa U = 2, 0 [m/s] Perfuração e alteração dimensional das prateleiras. De modo a permitir na zona de exposição: _Maior circulação de ar refrigerado; _Redução adicional da temperatura; _Maior homogeneidade das propriedades.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Global Caso B PREVISÕES: Æ Aumento significativo da circulação de ar refrigerado entre as prateleiras.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Insuflação Caso B PREVISÕES: Æ Velocidade de Insuflação Modificação das características da cortina de ar.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Aspiração Caso B PREVISÕES: Æ Distribuição mais uniforme da Temperatura.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal Interior Caso B PREVISÕES: Æ Maior conformidade do escoamento em todo o espaço refrigerado.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURA Caso B PREVISÕES: Æ Desvio da Temperatura: 11 % ; Redução de 0, 8 [ºC]. Æ Maior uniformização do Campo de Temperaturas.
APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO Æ DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURA Caso B PREVISÕES: Æ Passagem de ar refrigerado entre as prateleiras. Æ Distribuição mais uniforme que no Caso A.
CONCLUSÕES Æ Desenvolvimento e Validação de um modelo numérico: Simulação com precisão adequada; Apreciação dos fenómenos associados à refrigeração de produtos em Equipamentos Expositores Abertos. Æ Aplicação de Técnicas Experimentais: Avaliação e Caracterização do Escoamento e Transmissão de Calor. Æ Aplicação Casos de estudo de Relevância Prática: Redução e Uniformização da Temperatura; Maior Conformidade do escoamento. Aumento do período de conservação dos produtos.
CONCLUSÕES Æ SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS: MODELO NUMÉRICO: Tridimensionalidade e Regime Transiente; Modelo de Radiação Térmica; Modelo de Concentração de Espécies; Geometrias mais complexas; Integração do sistema de refrigeração; Extensão do código à carga térmica dos produtos. Investigação de Casos Práticos adicionais. ESTUDO EXPERIMENTAL: Secção de teste; Técnicas experimentais; Validação.
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