Novas tecnologias em trocadores de Calor para Redução de Carga ...

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, PE28 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

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/Greenpark_wind_turbine_arp.jpg

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)

frequ

ênci

aEstudo 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)

perd

as re

frige

rant

e (g

ram

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 refrigeranteGeralmenteGeralmente

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

R417Ape

rdas

refri

gera

nte

(%

/ an

o)

ano

Rede de supermercados na Suécia [2]


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).


Fluido Secundário:

meio resfriadomeio resfriado

meio aquecidomeio aquecido

condensadorcondensador

evaporadorevaporador

583 kg de CFC 22 kg de HFC

Palm [2]


Concluindo:


• 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

refrigeranteaspergido

carcaça do evaporador

fluido sendoresfriado

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 daredureduçãção 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


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]




Gonzalez-Garcia, Saiz-Jabardo e Stoecker [6]


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 reduzidaEPDEPD



Valores para Alguns Coeficientes de Troca:


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



Gewa-B - Gewa-B -

R134a, R134a,


ΓΓ=250 g/ms, =250 g/ms,


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



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


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


µΓ= 4Re


Secagem de Parede:

Tubo liso, Tubo liso,

R134a, R134a,


q=40kW/mq=40kW/m22, ,


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


Análise Coeficiente de Troca Interno:

H2O

R134a

R134a

Dint

hext

hint

exthhU111

int+=

50 kW/m50 kW/m22KK


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


Webb [12]


• 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


Webb [12]


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


Webb [12]

Bancada para Avaliação de Técnicas para Intensificação da Troca Interna:


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

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9c/Est_aschurig02.jpg


Centros de Processamento de Dados:Centros de Processamento de Dados:

http://www.datacenterknowledge.com/wp-content/uploads/2009/05/ch2-ascent.jpg


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:


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

ρρσ

−= 2


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


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

Coe

ficie

nte

de tr

oca

de c

alor

kW/m

2 K

título de vapor título de vapor

Dados experimentais

Modelo

O que O que éé micro, macro, mini ???? micro, macro, mini ????


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

1ctekhdNu ==

TransferTransferêência de Calorncia de Calor

dh

dcteh 12 ∝⇒=

Lei do Resfriamento de Newton

( ) ( ) LMTDnLddcteLMTDnLdhLMTDAhQ ππ 2===

fixofixo

( ) 3ctenL =⇒


Palm [20]

Estudo de Motivação (continuação):Perda de CargaPerda de Carga

( ) dL

d

Vuducte

dLuctep canal

==∆

4Re 2

424

πρ

νρ

νdu

=Re

p/ Vcanal fixo

u

41d

p ∝∆

Escrevendo como função de Vtotal

4

5

d

LnVcte

ptotal

=∆ρν

fixo

fixo

64 ctednL =⇒

( )ncteLctenL 3

3 =⇒=

6423 ctedncte

=⇒ ctedn =⇒ 42

ctedn =2


Palm [20]

Estudo de Motivação (continuação):

CONCLUSCONCLUSÃOÃO ctedn =2para Q (W/m2) e V (m3/s) fixos mantendo ∆p e LMTD

2

2

1

1

2

=dd

nn

2

1

2

1

2

=dd

VolVol

2

1

2

1

2

=dd

LL

1/4

1/4

4


Estudo de Motivação (continuação):


EvaporaEvaporaçãção no interior de tubos, To no interior de tubos, Tsatsat=22=22ooC, R134aC, R134a


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


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


Webb [12]

Aplicações de Micro-canais:• Micro-canais de alumínio, condensadores automotivos


Webb [12]

Bancada para a avaliação de Trocado-res de Calor Compactos EESC-USP:


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



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. Schwartz, J. Harnisch, Final Report on Establishing Leakage Rates of Mobile Air Conditioners, preparado

para the European Commission (DG Environment), 17 April 2003.

• B. Palm, Refrigeration Systems with Minimum Charge of Refrigerant, Applied Thermal Eng., vol. 27. pp.1693-1701.

• A.D. Little Inc., Global Comparative Analysis of HFC and Alternative Technologies for Refrigeration, Air Conditioning, Foam, Solvent, Aerosol Propellant, and Fire Protection Applications, Report for The Alliance for Responsible Atmospheric Policy, A.D. Little Inc., Acorn Park, Cambridge, MA, Reference 75966, 2002.

• J.M. Saiz Jabardo, Análise de Evaporadores do Tipo Filme Descendente. Relatório científico para o CNPq em projeto de pesquisa individual, 1996.

• Z. Ayub, Current and Future Prospects of Enhanced Heat Transfer in Ammonia Systems, Int. J. Refrigeration, vol. 31, pp. 652-657, 2008.

• J.M. Gonzalez Garcia, J.M. Saiz Jabardo e W.F. Stoecker, Falling Film Ammonia Evaporators, ACRC Technical Report, TR-33, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, USA, 1992.

• G. Ribatski, Análise Teórica e Experimental da Ebulição Nucleada de Refrigerantes Halogenados, Tese (Doutorado), Escolade Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Brasil, 2002.

• G. Ribatski e J.R. Thome, A Visual Study of R134a Falling Film Evaporation on Enhanced and Plain Tubes. Proc. 5th International Symposium on Multiphase Flow, Heat Mass Transfer and Energy Conversion, Xi'an, China, 2005.

• J.-F. Roques e J.R. Thome, Falling Films on Arrays of Horizontal Tubes with R-134a, Part I: Boiling Heat Transfer Results for Four Types of Tubes, Heat Transfer Engineering, vol. 28, pp. 398-414, 2007.

• M. Habert, Falling Film Evaporation on a Tube Bundle with Plain and Enhanced Tubes, Tese (Doutorado), École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Switzerland, 2009.

Referências (continuação):1. V. Gnielinski, New Equations for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel flow, Int. Chem.

Eng., vol. 16, pp. 359-368, 1976.

2. R.L. Webb, Principles of Enhanced Heat Transfer, John Willey & Sons, Inc, New York, EUA, 1994.

3. S.S. Mehendal, A.M. Jacobi, R.K. e Shah, R.K., Fluid Flow and Heat Transfer at Micro- and Meso-Scales with Applications to Heat Exchangers Design, Appl. Mech. Rev., vol. 53, pp. 175-193, 2000.

4. P.A. Kew e K. Cornwell, Correlations for the Prediction of Boiling Heat Transfer in Small-Diameter Channels, Applied Thermal Engineering, vol. 17, pp. 705-715, 1997.

5. S.G. Kandlikar e W.J. Grande, Evolution of Microchannel Flow Passages - Thermohydraulic Performance and Fabrication Technology, Heat Transfer Engineering, vol. 24, pp. 3-17, 2003.

• E.P Bandarra Filho e P.E.L Barbieri, Flow Boiling Performance in Two Identical Microfinned Copper Tubes, 7th ECI International Conference on Boiling Heat Transfer, Florianópolis, Brasil, 2009.

7. S.H. Yoon, E.S. Cho, Y.W. Hwang, M.S. Kim, K. Min e Y. Kim, Characteristics of Evaporative Heat Transfer and Pressure Drop of Carbon Dioxide and Correlation Development, Int. J. Refrigeration, vol. 27, pp. 111–119, 2004.

8. R. Yun, Y. Kim, e M.S. Kim, Convective Boiling Heat Transfer Characteristics of CO2 in Microchannels, Int. J Heat Mass Transfer, vol. 48, pp. 235-242, 2005.

9. L. Cheng, G. Ribatski, L. Wojtan e J.R. Thome, New Flow Boiling Heat Transfer Model and Flow Pattern Map for Carbon Dioxide Evaporating Inside Horizontal Tubes, Int. J Heat Mass Transfer, vol. 49, pp. 4082-4094, 2006.

10. B. Palm, Heat Transfer in Microchannel, Microscale Thermophysical Engineering, vol. 5, pp. 155-175, 2001

Referências (continuação):1. Z. Liu e R.H.S. Winterton, A General Correlation for Saturated and Subcooled Flow Boiling in Tubes and

Annuli Based on a Nucleate Pool Boiling equation, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 34, pp. 2759–2766, 1991.

• C.B. Tibiriça e G. Ribatski, An Experimental Study on Micro-Scale Flow Boiling Heat Transfer, 7th ECI International Conference on Boiling Heat Transfer, Florianópolis, Brasil, 2009.

3. R. Cullion, D.V. Pence, J.A. Liburdy e V. Narayanan, Void Fraction Variations in a Fractal-Like Branching Microchannel Network, 6th ECI International Conference on Boiling Heat Transfer, Spoleto,Italia, 2006.

4. C.-J. Kuo e Y. Peles, Local Measurement of Flow Boiling in Structured Surface Microchannels, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 50, pp. 4513-4526, 2007.

Novas tecnologias em trocadores de Calor para Redução de Carga ...

Documents

Transcript of Novas tecnologias em trocadores de Calor para Redução de Carga ...