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E STUDO N UMÉRICO E E XPERIMENTAL DO D ESEMPENHO T ÉRMICO DE E QUIPAMENTOS E XPOSITORES R EFRIGERADOS. Universidade da Beira Interior Departamento de Engenharia Electromecânica. Pedro Dinis Gaspar Universidade da Beira Interior Covilhã e UBI, Julho 2002. - PowerPoint PPT Presentation
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EESTUDO STUDO NNUMÉRICO E UMÉRICO E EEXPERIMENTALXPERIMENTAL DO DO DDESEMPENHO ESEMPENHO TTÉRMICO DE ÉRMICO DE
EEQUIPAMENTOS QUIPAMENTOS EEXPOSITORES XPOSITORES RREFRIGERADOSEFRIGERADOS
Universidade da Beira InteriorUniversidade da Beira InteriorDepartamento de Engenharia ElectromecânicaDepartamento de Engenharia Electromecânica
Pedro Dinis GasparPedro Dinis GasparUniversidade da Beira InteriorUniversidade da Beira Interior
Covilhã e UBI, Julho 2002Covilhã e UBI, Julho 2002
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia de Sistemas de ProduçãoEngenharia de Sistemas de Produção e Conservação de Energia e Conservação de Energia
Universidade da Beira InteriorUniversidade da Beira InteriorDepartamento de Engenharia ElectromecânicaDepartamento de Engenharia Electromecânica
Realizada sob orientação cientifica de :Realizada sob orientação cientifica de :
Prof. Dr. Alexandre Borges de MirandaProf. Dr. Alexandre Borges de Miranda(Professor Auxiliar – Dept.º de Eng.ª Electromecânica - Universidade da Beira Interior)(Professor Auxiliar – Dept.º de Eng.ª Electromecânica - Universidade da Beira Interior)
Prof. Dr. Rui António Pitarma Sabino Cunha FerreiraProf. Dr. Rui António Pitarma Sabino Cunha Ferreira(Professor Coordenador –Dept.º de Eng.ª Mecânica-ESTG-Intituto Politécnico da Guarda)(Professor Coordenador –Dept.º de Eng.ª Mecânica-ESTG-Intituto Politécnico da Guarda)
IINTRODUÇÃONTRODUÇÃO
EXIGÊNCIA SOCIAL E ECONÓMICA: Uso racional de energia no sector comercial.
ELEVADO CONSUMO ENERGÉTICO: Necessidade de conservação em frio dos alimentos; Manutenção do perfeito estado sanitário e nutritivo.
DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS DE ANÁLISE: Minimização do consumo energético; Melhoria da performance dos equipamentos.
AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL; SIMULAÇÃO NUMÉRICA.
RRELEVÂNCIA ELEVÂNCIA PPRÁTICA DO PROBLEMARÁTICA DO PROBLEMA
SOLUÇÃO Aplicação de uma Cortina de Ar.
INCONVENIENTES Diversos problemas técnicos: Imperfeições da cortina de ar; Características geométricas dos equipamentos; Entre outros factores...
EQUIPAMENTOS REFRIGERADOS ABERTOS: Característica: Inexistência de barreira física. Intuito: Visualização e Manuseamento de produtos.
CONSEQUÊNCIAS Perda de capacidade: Aumento do Consumo Energético; Variação do valor da Temperatura de conservação dos
produtros alimentares.
EEQUIPAMENTOS QUIPAMENTOS EEXPOSITORESXPOSITORES
(Cortesia: JORDÃO Cooling Systems ®) MURAL
ILHA
VITRINE
OOBJECTIVOSBJECTIVOS
FINALIDADE Indicação de alterações de projecto: Uniformizar o campo de temperaturas interior; Melhorar a distribuição do escoamento; Reduzir o consumo energético.
DESENVOLVIMENTO DE MODELO NUMÉRICO: Simulação do Desempenho Térmico de
Equipamentos Expositores Refrigerados Abertos.
VALIDAÇÃO DAS PREVISÕES NUMÉRICAS.
APLICAÇÃO DO MODELO: Casos de relevância prática.
MMODELO ODELO CCOMPUTACIONALOMPUTACIONAL
VANTAGENS:PROJECTO COM BASE CIENTIFÍCA:
Prescinde de dimensionamento empirico; Permite realizar a avaliação local das propriedades.
MÉTODO EXPEDITO DE PREVISÃO;
FÁCIL ADAPTAÇÃO A NOVOS CASOS: Permite examinar modificações a efectuar nos
equipamentos.
TÉCNICA DE ESTUDO: Custo mais reduzido; Tempo de desenvolvimento inferior.
MMETODOLOGIA DE ETODOLOGIA DE AABORDAGEMBORDAGEM
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.
MODELAÇÃO FÍSICA E MATEMÁTICA;
VALIDAÇÃO DO MODELO COMPUTACIONAL; Validação experimental essencialmente qualitativa.
APLICAÇÃO EM PROBLEMAS DE ENGENHARIA.
EESTUDO STUDO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL
ENSAIOS EXPERIMENTAIS
METODOLOGIA E ABORDAGEM Seguida pelo fabricante; Norma ASHRAE Standard 72-1998.
Method of testing open refrigerators.
Secção I&D da JORDÃO Cooling Systems.
Condições de Fronteira do Modelo: Medição Temperatura e Velocidade.
Validação do Modelo: Medição Temperatura.
EESTUDO STUDO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL
TÉCNICAS EXPERIMENTAIS E EQUIPAMENTOS
Grandeza Técnica Experimental
Velocidade do ArTermo-AnemometriaTermó-anemometro
Temperatura do ArTermometria por TermoparesTermómetros digitaissonda: Termopar tipo T
Temperatura Superficial
Termometria por TermoparesTermómetro digital: Cole Parmersonda: Termopar de contacto tipo T
Condições de fronteira do modelo.Validação das previsões numéricas.
EESTUDO STUDO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL
Disposição genérica dos dispositivos de sensorização no equipamento.
MEDIÇÕES DA VELOCIDADE E TEMPERATURA
EESTUDO STUDO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL
MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS
Zona \ Propriedades U [m/s] T [ºC]
GrelhasInsuflação 2,5 1,5Aspiração 1,7 9,1
Orifíciosz=1277[mm] 1,5 1,5z=155[mm] 1,0 1,5
Paredes
SSE - 22,7SPE - 20,7SSI - 6,6SFI - 6,3SII - 8,1
Abertura ao ar ambiente - 25,0
EESTUDO STUDO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL
TÉCNICAS EXPERIMENTAIS COMPLEMENTARES
Objectivo Técnica Experimental
Taxa de Renovação de
Ar
Gases TraçadoresGás: Hexafluoreto de Enxofre (SF6)Analisador de Gases:Bruel&Kjaer Multi-Gas Monitor Type 1302
Temperatura Superficial
Termografia por infravermelhosCâmara de Infravermelhos :NEC San–ei Thermo tracer TH1100
Visualização do
Escoamento
Injecção de fumoGerador de Fumo : Profog K-15
Avaliação auxiliar da distribuição das propriedades. Recolha fotográfica: Nikon F60 –Filme 100 ASA
EESTUDO STUDO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL
GASES TRAÇADORES
6 [ren/h]
VISUALIZAÇÃO
TERMOGRAFIA IV
MMODELO ODELO FFÍSICO E ÍSICO E MMATEMÁTICOATEMÁTICO
Formulação das Equações de Governo do Escoamento: TURBULENTO; BIDIMENSIONAL; NÃO ISOTÉRMICO.
REGIME ESTACIONÁRIO;
Características do Fluido de Trabalho Ar: GÁS IDEAL; INCOMPRESSÍVEL; Diversas PROPRIEDADES CONSTANTES.
MMODELO ODELO FFÍSICO E ÍSICO E MMATEMÁTICOATEMÁTICO
EQUAÇÕES: Conservação de massa:
Conservação de quantidade de movimento:
Conservação de energia:
MODELO DE TURBULÊNCIA k- Fecho das Eq’s.
LEIS DE PAREDE Quantificação de efeitos viscosos e dos elevados gradientes das variáveis.
MMODELO ODELO NNUMÉRICOUMÉRICO
Discretização: DIFERENÇAS FINITAS / Volumes de Controlo; Esquema HÍBRIDO.
Algoritmo de resolução numérica iterativa: SIMPLEST.
Características da Malha Computacional (50x240 VC’s): ORTOGONAL; DESLOCADA; NÃO UNIFORME.
Código de Dinâmica de Fluidos Computacional: PHOENICS.
MMODELO ODELO NNUMÉRICOUMÉRICO
CONDIÇÕES DE FRONTEIRAÁrea Tipo Origem
Paredes Sólidas Temperatura impostaNão Deslizamento
Experimental
Aberturas de Insuflação/Aspiração
Temperatura impostaVelocidade impostak e impostasIt imposta
ExperimentalExperimental
Abertura ao Ar Ambiente
Temperatura impostaPressão imposta
Experimental
PrateleirasProdutos (Simuladores)
Fluxo de calor nulo(Superfícies Adiabáticas)
Fontes de Calor(Iluminação interior)
Fluxo de calor impostoQ = 10 [W/m]
Fabricante
RRESULTADOS ESULTADOS NNUMÉRICOSUMÉRICOS
OBJECTIVO: Avaliação da distribuição dos campos de Velocidades
e Temperaturas no interior do equipamento; Investigação de pontos de possível evolução técnica.
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.
RRESULTADOS ESULTADOS NNUMÉRICOSUMÉRICOS
LINHAS DE CORRENTE e VECT. DE VELOCIDADE
RRESULTADOS ESULTADOS NNUMÉRICOSUMÉRICOS
VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Insuflação
PREVISÕES:Entrada de ar ambiente para o interior;Grande recirculação na prateleira superior.
RRESULTADOS ESULTADOS NNUMÉRICOSUMÉRICOS
VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Aspiração
PREVISÕES:Perda substancial para o exterior de mistura de ar
refrigerado com ar ambiente.
RRESULTADOS ESULTADOS NNUMÉRICOSUMÉRICOS
VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal Interior
PREVISÕES:Baixas velocidades que caracterizam o escoamento na
zona de exposição dos produtos alimentares.
RRESULTADOS ESULTADOS NNUMÉRICOSUMÉRICOS
DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS
PREVISÕES:
Cortina de ar: Eficácia do dispositivo; Interacção térmica.
Abertura frontal: Zona inferior Saída de
ar refrigerado.
RRESULTADOS ESULTADOS NNUMÉRICOSUMÉRICOS
DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS
PREVISÕES:
Grelha de insuflação: Temperatura mínima.
Área de exposição: Zona inferior T max; Zona média T const.
VVALIDAÇÃO ALIDAÇÃO EEXPERIMENTALXPERIMENTAL
ESTUDO COMPARATIVO
TENDÊNCIA GENÉRICA: Evolução muito aproximada; Boa concordância de resultados.
DESVIOS: Distribuição não uniforme:
Abertura Erro Zona interior Erro
MODELO COMPUTACIONAL: Apresenta eficácia considerável.
z=1213 [mm]
z = 898 [mm]
z = 388 [mm]
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
Caso A : Aumento do diâmetro dos orifícios: A = 2 Grelha de insuflação:
Conservação de massa U = 2,1 [m/s]
OBJECTIVO: Uniformização das propriedades físicas relevantes. Melhorar as condições de funcionamento através de
alterações geométricas e funcionais da configuração.
Caso B : Configuração do Caso A. Perfuração e alteração dimensional das prateleiras.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
VECTORES DE VELOCIDADE: GlobalCaso A
PREVISÕES:
Melhor distribuição do escoamento.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
VECTOR DE VELOCIDADES: Grelha de InsuflaçãoCaso A
PREVISÕES:Velocidade de Insuflação mais reduzida;Atenuação da recirculação na prateleira superior.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de AspiraçãoCaso A
PREVISÕES:Ligeira alteração da cortina de ar;Perda para o exterior de mistura de ar refrigerado.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal InteriorCaso A
PREVISÕES:Aumento substancial da circulação de ar refrigerado;Redução da Temperatura entre as prateleiras.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURACaso A
PREVISÕES:
Desvio da Temperatura: 10 % ; Redução de 0,7 [ºC].
Maior uniformização do Campo de Temperaturas.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURACaso A
PREVISÕES:
Zona superior: Velocidade de Insuf.
Temperatura
& Atenuação da recirculação
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
Caso B : Caso particular (Caso A):
B = A = 2
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.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
VECTORES DE VELOCIDADE: GlobalCaso B
PREVISÕES:
Aumento significativo da circulação de ar refrigerado entre as prateleiras.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de InsuflaçãoCaso B
PREVISÕES: Velocidade de Insuflação Modificação das
características da cortina de ar.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de AspiraçãoCaso B
PREVISÕES:Distribuição mais uniforme da Temperatura.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal InteriorCaso B
PREVISÕES:Maior conformidade do escoamento em todo o espaço
refrigerado.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURACaso B
PREVISÕES:
Desvio da Temperatura: 11 % ; Redução de 0,8 [ºC].
Maior uniformização do Campo de Temperaturas.
AAPLICAÇÃO PLICAÇÃO PPRÁTICA DO RÁTICA DO MMODELOODELO
DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURACaso B
PREVISÕES:
Passagem de ar refrigerado entre as prateleiras.
Distribuição mais uniforme que no Caso A.
CCONCLUSÕESONCLUSÕES
Desenvolvimento e Validação de um modelo numérico: Simulação com precisão adequada; Apreciação dos fenómenos associados à refrigeração
de produtos em Equipamentos Expositores Abertos.
Aplicação de Técnicas Experimentais: Avaliação e Caracterização do Escoamento e
Transmissão de Calor.
Aplicação Casos de estudo de Relevância Prática: Redução e Uniformização da Temperatura; Maior Conformidade do escoamento.
Aumento do período de conservação dos produtos.
CCONCLUSÕESONCLUSÕES
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.