Formação de Gelo
A formação de gelo em refrigeradores pode ocorrer tanto nas paredes internas do mesmo como no evaporador. Em certas regiões, onde as condições ambientais e operacionais favorecem a formação de geada sobre as paredes do refrigerador, grande parte das unidades entregues aos consumidores ocasionam chamadas de assistência técnica e, em alguns casos, devoluções do produto. A formação de geada no evaporador, por sua vez, leva à redução da vazão de ar e à perda de capacidade de refrigeração, contribuindo para o aumento do consumo de energia do sistema.
Para entender melhor o problema e propor alternativas para minimizá-lo, o POLO desenvolve estudos com foco tanto em placas planas como em evaporadores para aplicações domésticas e comerciais, com o trocador montado tanto dentro como fora do sistema. Para ensaios com o evaporador montado fora do sistema, o laboratório conta com um túnel de vento de circuito fechado capaz de controlar as condições de operação do ar e do fluido refrigerante em faixas realistas, similares às encontradas em aplicações reais. A fim de avaliar o processo com o evaporador em operação num sistema real, janelas de vidro isolante são instaladas no refrigerador para visualizar o processo, e geradores de umidade ou dispositivos de abertura de porta são utilizados para induzir a formação de geada. A eficiência de degelo do sistema também é levada em conta. Diferentes resistências elétricas podem ser testadas e diferentes modos de atuação podem ser implementados por meio de uma plataforma de controle especialmente desenvolvida para tal fim.
Evaporadores no-frost
Apesar da vasta literatura a respeito do desempenho termo-hidráulico de evaporadores tubo-aletados, há uma escassez de dados experimentais específicos para os evaporadores no-frostutilizados em refrigeradores domésticos, principalmente quando se fala em formação de geada. Comparando-os com os trocadores tubo-aletados convencionais, existem algumas características marcantes que distinguem os evaporadores no-frost e os fazem únicos. Primeiramente, a geometria dos mesmos é tal que a área de face é menor que nos trocadores convencionais. Assim, o número de tubos pode ser consideravelmente maior no sentido do fluxo de ar. Além disso, para evitar a obstrução pelo acúmulo de geada, o espaçamento entre aletas pode ser não-uniforme ao longo da serpentina, e consideravelmente maior em relação aos trocadores de calor convencionais. Resistências elétricas também são utilizadas para eliminar a da geada de tempos em tempos
Afim de estudar a formação de geada, o POLO desenvolveu técnicas experimentais e modelos matemáticos para caracterizar e prever o processo. Para tanto, os refrigeradores são testados com uma janela de vidro isolante na parede traseira, para permitir a visualização, e reservatórios de água com resistências elétricas imersas, ou dispositivos de abertura de portas, são utilizados para induzir o aumento de umidade e acelerar a formação de geada. Uma bancada de testes também foi especialmente construída para ser acoplada ao refrigerador e permitir o controle da temperatura de evaporação e do grau de superaquecimento do evaporador. Dessa forma, o refrigerador pode ser testado em condições reais de operação, sendo mantida a distribuição de ar interna original.
Evaporadores tubo-aleta
Evaporadores tubo-aletados compactos têm sido amplamente utilizados em cassetes para aplicações de refrigeração comercial leve. Em tais aplicações a temperatura de evaporação é normalmente inferior à zero, o que induz a formação de geada sobre a superfície aletada, podendo bloquear a passagem de ar caso não haja degelo. Diferentemente dos evaporadores no-frost, tais trocadores apresentam uma grande área de face, e o espaçamento entre aletas é menor e é uniforme de uma fileira para a outra, o que facilita o acúmulo de geada. Antes de bloquear completamente, a camada de geada degrada a performance do trocador e reduz a vazão de ar insuflada pelo ventilador. Assim, torna-se mandatório entender como se dá o processo de formação de geada e o efeito desta sobre o ventilador, para que se projete um sistema de refrigeração robusto o suficiente e de alto desempenho.
Nesse contexto, o POLO construiu um túnel de vento de ciclo fechado de ar, que controla e monitora as propriedades termodinâmicas tanto do escoamento de ar como de refrigerante (brine), e também emula as características do ventilador, permitindo analisar o efeito da redução da vazão de ar sobre a capacidade de refrigeração à medida que a geada se forma. Um modelo matemático baseado nos princípios básicos de transferência de calor e massa também foi desenvolvido e validado, com o intuito de auxiliar no projeto tanto do trocador de calor como do sistema de degelo.
Paredes Internas
Na maioria dos refrigeradores, a geada deve se acumular apenas no evaporador. Contudo, dependendo das condições ambientais, de operação e construtivas, a geada é às vezes encontrada nas paredes internas do gabinete, o que aumenta o número de chamadas de assistência técnica e consequentemente os custos de manutenção e qualidade. Para evitar isso, os fabricantes têm sido pressionados para considerar novos conceitos de refrigeradores, de forma que tanto o custo como o consumo de energia seja reduzido. Apesar da vasta literatura disponível, nenhum dos trabalhos realmente se preocupou em prever a formação de geada nas paredes internas de refrigeradores, focando nos parâmetros mais importantes que levam à nucleação dos cristais, como a temperatura do ar, a umidade, a velocidade e as condições da superfície (temperatura, rugosidade e ângulo de contato). Com o intuito estudar o fenômeno, o POLO desenvolveu um modelo matemático de nucleação heterogênea para superfícies planas, baseado na teoria clássica de nucleação, e com isso definiu um critério que permite avaliar quando e sob quais condições haverá formação de geada sobre as paredes do refrigerador. Tal modelo pode ser utilizado em aplicações reais, onde um refrigerador pode ser testado numa câmara climática com um dispositivo automático de abertura de portas. Amostras de diferentes materiais da parede podem ser analisadas e o ângulo de contato pode ser medido com o auxílio de uma câmara microscópica. Assim, para cada tipo de superfície, o grau máximo de super-resfriamento pode ser plotado em função do ângulo de contato e então comparado com os limites de nucleação
Estudo da formação de geada em evaporadores de aletas poeriféricas
A formação de geada é um fenômeno indesejado e inevitável em sistemas de refrigeração. A geada causa a adição de uma resistência de baixa condutividade térmica na superfície externa dos trocadores de calor, diminuindo a capacidade de refrigeração e o Coeficiente de Performance do sistema. Além disso, a geada diminui a vazão de ar devido ao estreitamento dos canais por onde o ar escoa. Visando diminuir o impacto da formação de geada sobre sistemas de refrigeração, propõe estudar os uma nova geometria de trocadores de calor, chamados de evaporadores de aletas periféricas (EAP). Eles são formados por arranjos hexagonais de aletas, constituídos por seis aletas radiais, cujas bases estão ligadas aos tubos e cujas extremidades são ligadas às aletas periféricas. Isso confere ao trocador características de um meio de poros interconectados, que permitem ao ar escoar por caminhos alternativos caso haja o bloqueio de uma parte do trocador pela geada. O estudo consiste nas frentes experimental e numérica. Na frente experimental, protótipos de evaporadores são testados em um túnel de vento para avaliar as variações da taxa de transferência de calor e da queda de pressão com o tempo. A frente numérica consistiu em desenvolver um modelo matemático para prever o comportamento dos EAP sob diversas condições de operação. O modelo consiste em dividir o trocador em volumes de controle no sentido do escoamento do ar, e o trata como um meio poroso, cuja porosidade, diâmetro de partícula e propriedades térmicas variam com o tempo devido á formação da geada
