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 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.

RELEVÂNCIA PRÁTICA DO PROBLEMA EQUIPAMENTOS REFRIGERADOS ABERTOS: Característica: Inexistência de barreira física. Intuito: Visualização e Manuseamento de produtos. SOLUÇÃO  Aplicação de uma Cortina de Ar. INCONVENIENTES  Diversos problemas técnicos: Imperfeições da cortina de ar; Características geométricas dos equipamentos; Entre outros factores... 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 DESENVOLVIMENTO DE MODELO NUMÉRICO: Simulação do Desempenho Térmico de Equipamentos Expositores Refrigerados Abertos. FINALIDADE  Indicação de alterações de projecto: Uniformizar o campo de temperaturas interior; Melhorar a distribuição do escoamento; Reduzir o consumo energético. VALIDAÇÃO DAS PREVISÕES NUMÉRICAS. APLICAÇÃO DO MODELO: Casos de relevância prática.

MODELO COMPUTACIONAL 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.

METODOLOGIA DE ABORDAGEM 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.

ESTUDO EXPERIMENTAL ENSAIOS EXPERIMENTAIS Secção I&D da JORDÃO Cooling Systems. Condições de Fronteira do Modelo: Medição  Temperatura e Velocidade. Validação do Modelo: Medição  Temperatura. METODOLOGIA E ABORDAGEM Seguida pelo fabricante; Norma ASHRAE Standard 72-1998. Method of testing open refrigerators.

Temperatura Superficial ESTUDO EXPERIMENTAL TÉCNICAS EXPERIMENTAIS E EQUIPAMENTOS Grandeza Técnica Experimental Velocidade do Ar Termo-Anemometria Termó-anemometro Temperatura do Ar Termometria por Termopares Termómetros digitais sonda: Termopar tipo T Temperatura Superficial Termómetro digital: Cole Parmer sonda: Termopar de contacto tipo T Condições de fronteira do modelo. Validação das previsões numéricas.

ESTUDO EXPERIMENTAL MEDIÇÕES DA VELOCIDADE E TEMPERATURA Disposição genérica dos dispositivos de sensorização no equipamento.

ESTUDO EXPERIMENTAL MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS Zona \ Propriedades U [m/s] T [ºC] Grelhas Insuflação 2,5 1,5 Aspiração 1,7 9,1 Orifícios z=1277[mm] z=155[mm] 1,0 Paredes SSE - 22,7 SPE 20,7 SSI 6,6 SFI 6,3 SII 8,1 Abertura ao ar ambiente 25,0

Temperatura Superficial Visualização do Escoamento ESTUDO EXPERIMENTAL TÉCNICAS EXPERIMENTAIS COMPLEMENTARES Objectivo Técnica Experimental Taxa de Renovação de Ar Gases Traçadores Gás: Hexafluoreto de Enxofre (SF6) Analisador de Gases: Bruel&Kjaer Multi-Gas Monitor Type 1302 Temperatura Superficial Termografia por infravermelhos Câmara de Infravermelhos : NEC San–ei Thermo tracer TH1100 Visualização do Escoamento Injecção de fumo Gerador de Fumo : Profog K-15 Avaliação auxiliar da distribuição das propriedades. Recolha fotográfica: Nikon F60 –Filme 100 ASA

ESTUDO EXPERIMENTAL GASES TRAÇADORES VISUALIZAÇÃO 6 [ren/h] TERMOGRAFIA IV

MODELO FÍSICO E MATEMÁTICO 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.

MODELO FÍSICO E MATEMÁTICO 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.

MODELO NUMÉRICO Código de Dinâmica de Fluidos Computacional: PHOENICS. 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.

MODELO NUMÉRICO CONDIÇÕES DE FRONTEIRA Área Tipo Origem Paredes Sólidas Temperatura imposta Não Deslizamento Experimental Aberturas de Insuflação/Aspiração Velocidade imposta k e  impostas It imposta Abertura ao Ar Ambiente Pressão imposta Prateleiras Produtos (Simuladores) Fluxo de calor nulo (Superfícies Adiabáticas) Fontes de Calor (Iluminação interior) Fluxo de calor imposto Q = 10 [W/m] Fabricante

RESULTADOS NUMÉRICOS 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.

RESULTADOS NUMÉRICOS LINHAS DE CORRENTE e VECT. DE VELOCIDADE

RESULTADOS NUMÉRICOS VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Insuflação PREVISÕES: Entrada de ar ambiente para o interior; Grande recirculação na prateleira superior.

RESULTADOS NUMÉRICOS VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Aspiração PREVISÕES: Perda substancial para o exterior de mistura de ar refrigerado com ar ambiente.

RESULTADOS NUMÉRICOS VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal Interior PREVISÕES: Baixas velocidades que caracterizam o escoamento na zona de exposição dos produtos alimentares.

RESULTADOS NUMÉRICOS DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS PREVISÕES: Cortina de ar: Eficácia do dispositivo; Interacção térmica. Abertura frontal: Zona inferior  Saída de ar refrigerado.

RESULTADOS NUMÉRICOS DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS PREVISÕES: Grelha de insuflação: Temperatura mínima. Área de exposição: Zona inferior  T max; Zona média  T const.

VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL ESTUDO COMPARATIVO TENDÊNCIA GENÉRICA: Evolução muito aproximada; Boa concordância de resultados. z=1213 [mm] z = 898 [mm] z = 388 [mm] DESVIOS: Distribuição não uniforme: Abertura   Erro Zona interior   Erro MODELO COMPUTACIONAL: Apresenta eficácia considerável.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO OBJECTIVO: Uniformização das propriedades físicas relevantes. Melhorar as condições de funcionamento através de alterações geométricas e funcionais da configuração. Caso A : Aumento do diâmetro dos orifícios: A = 2  Grelha de insuflação: Conservação de massa  U = 2,1 [m/s] Caso B : Configuração do Caso A. Perfuração e alteração dimensional das prateleiras.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO VECTORES DE VELOCIDADE: Global Caso A PREVISÕES: Melhor distribuição do escoamento.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO VECTOR DE VELOCIDADES: Grelha de Insuflação Caso A PREVISÕES: Velocidade de Insuflação mais reduzida; Atenuação da recirculação na prateleira superior.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Aspiração Caso A PREVISÕES: Ligeira alteração da cortina de ar; Perda para o exterior de mistura de ar refrigerado.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal Interior Caso A PREVISÕES: Aumento substancial da circulação de ar refrigerado; Redução da Temperatura entre as prateleiras.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURA Caso A PREVISÕES: Desvio da Temperatura:  10 % ; Redução de  0,7 [ºC]. Maior uniformização do Campo de Temperaturas.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURA Caso A PREVISÕES: Zona superior:  Velocidade de Insuf.   Temperatura & Atenuação da recirculação

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO 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.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO VECTORES DE VELOCIDADE: Global Caso B PREVISÕES: Aumento significativo da circulação de ar refrigerado entre as prateleiras.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Insuflação Caso B PREVISÕES:  Velocidade de Insuflação  Modificação das características da cortina de ar.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO VECTORES DE VELOCIDADE: Grelha de Aspiração Caso B PREVISÕES: Distribuição mais uniforme da Temperatura.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO VECTORES DE VELOCIDADE: Parede Frontal Interior Caso B PREVISÕES: Maior conformidade do escoamento em todo o espaço refrigerado.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURA Caso B PREVISÕES: Desvio da Temperatura:  11 % ; Redução de  0,8 [ºC]. Maior uniformização do Campo de Temperaturas.

APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO DISTRIBUIÇÃO DO CAMPO DE TEMPERATURA Caso B PREVISÕES: Passagem de ar refrigerado entre as prateleiras. Distribuição mais uniforme que no Caso A.

CONCLUSÕES 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.

CONCLUSÕES 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.