Utilização de circuitos de bombas capilares em sistemas de refrigeração

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Montagner, Gustavo Portella
Data de Publicação: 2008
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: http://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/91480
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
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spelling Utilização de circuitos de bombas capilares em sistemas de refrigeraçãoEngenharia mecânicaRefrigeraçãoCircuitos eletricosCalor -TransmissaoBombas capilaresDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.Devido as perspectivas de escassez das fontes de energia elétrica e ao rígido controle ambiental relativo à utilização de fluidos refrigerantes, novas tecnologias de refrigeração têm surgido com uma certa regularidade. Tais tecnologias, sem exceção, geram duas superfícies térmicas, uma quente e outra fria, ambas na máquina de superfície fria ao compartimento refrigerado e a superfície quente ao ambiente externo. Tais sistemas devem ser compactos, ter baixo consumo de energia, ter capacidade de refrigeração elevada além de operarem com uma pequena diferença de temperatura entre as partes trocando calor. Uma das propostas para o lado quente, consiste na utilização de circuitos de bombas capilares, também conhecidos por CPLs (Capillary Pumped Loops). Uma CPL é um sistema bifásico que usa a aplicação de calor e as forças geradas pela tensão superficial em um elemento poroso para bombear fluido refrigerante num circuito fechado, composto basicamente por um evaporador, um condensador e um reservatório de líquido. Ao invés de uma bomba mecânica, o diferencial de pressão necessário para a circulação do fluido é gerado no menisco que separa as fases líquida e vapor no elemento poroso, localizado no evaporador. Desde a sua introdução, as CPLs vêm sendo utilizadas predominantemente na área aeroespacial. A utilização de CPLs em sistemas de refrigeração, exige características operacionais particulares, como altas taxas de transferência de calor e pequenas diferenças de temperatura entre partes trocando calor, além da presença da gravidade. O objetivo maior deste trabalho é avaliar o desempenho de um circuito CPL aplicado como um sistema secundário de transferência de calor no lado quente de sistemas alternativos de refrigeração. Para tanto, as características físicas e operacionais de CPLs foram estudadas em detalhes a partir da ampla literatura existente sobre o assunto. Apesar de ampla, a literatura não contempla a demanda do setor de refrigeração. Para preencher esta lacuna, decidiu-se projetar e ensaiar um circuito CPL com foco no segmento de refrigeração, investigando os efeitos de fatores tais como: temperatura de condensação, desnível entre trocadores de calor, configuração do elemento poroso e fluido de trabalho. Das configurações testadas, a que mostrou melhor desempenho foi aquela onde a temperatura da superfície quente se manteve em 76ºC para um fluxo de calor de 4,8W/cm2. Tal valor de temperatura é excessivamente elevado, gerando coeficiente de performance baixo e exigindo portanto melhorias significativas no conceito de bomba capilar adotado de forma a viabilizar a operação proposta. Due to the shortage of the electric energy sources and also to the strict environmental controls regarding the use of the actual refrigerants, alternative cooling technologies are now being introduced into the market, all of them with innovative features related to the energetic efficiency and also to the use of environmental friendly substances. However, all those technologies are based on a warm and a cold surface, both generated by and located at the refrigeration machine. That requires the utilization of secondary heat transfer loops to connect the cold surface to the refrigerated compartment and the warm surface to the external air. Such secondary circuits must be compact, in addition of having low energy consumption, high cooling capacity and producing a small temperature drop between the heat transfer source and sink. One of the alternatives for the warm side of alternative refrigeration systems is a Capillary Pumped Loop#CPL, considered in this work. A CPL is a two-phase flow system that uses heat and the capillary forces generated in a porous media to pump fluid in a closed loop, comprised by an evaporator, a condenser and a liquid reservoir. The required pressure difference to pump the fluid is generated in the meniscus that separates the liquid and vapor phases, located in the evaporator. Since its introduction, the CPL concept has been used mainly by the aerospace industry. In order to explore its use in refrigeration equipments some specific operational characteristics must be addressed: i) high heat transfer fluxes, ii) high condensation temperatures and iii) low temperature drops between the heat transfer source and sink. In addition to that the gravity is another factor that differentiates the aerospace and earth applications. The main objective of this work is therefore to explore the operational characteristics of a CPL working as a secondary heat transfer circuit in alternative refrigeration systems. For doing so a CPL prototype was designed and manufactured, having a flat geometry and using a heating block to simulate the warm surface of the refrigeration machine. The prototypes were tested in specific operational conditions required by the refrigeration sector, using ethyl alcohol and water as working fluids, and varying the thickness and the porous size of the porous wick, the height difference between evaporator and condenser and also the evaporator orientation. From those tests the operational limits for each CPL configuration were established, allowing the identification of failures and also of points for further design improvements. The best CPL configuration showed a warm surface temperature of 76ºC for a heat flux of 4.8W/cm2. Such a value is extremely high pushing the performance coefficient down. Therefore significant improvements are required in the CPL prototype before it can be considered a practical alternative for refrigeration systems.Florianópolis, SCMelo, ClaudioUniversidade Federal de Santa CatarinaMontagner, Gustavo Portella2012-10-23T23:22:51Z2012-10-23T23:22:51Z20082008info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisx, 57 f.| il., tabs., grafs.application/pdf248440http://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/91480porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2013-05-02T21:29:19Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/91480Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732013-05-02T21:29:19Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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