Estudo experimental de refrigeradores por absorção/difusão usando resistor elétrico e óleo térmico como fontes de energia.
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Willian Moreira Duarte
Márcio Fonte Boa Cortez
Márcio Fonte Boa Cortez
Resumo
A pandemia de Covid-19 agregou diversas áreas do conhecimento, entre elas as ciências da
imunologia e da refrigeração. Novos programas de vacinação deverão ter lugar na década de
2020. A estocagem de vacinas demanda refrigeradores qualificados segundo os padrões da
OMS (Organização Mundial da Saúde). Considerando as dificuldades logísticas de transporte
e a ausência de eletrificação em algumas comunidades mais remotas, um refrigerador solar para
armazenagem de vacinas representa uma alternativa aos refrigeradores a querosene ou gás.
Refrigeradores por absorção/difusão permitem o aproveitamento da radiação solar como fonte
de energia. Neste cenário, o objetivo deste trabalho é estudar a viabilidade da troca do resistor
elétrico de um refrigerador por absorção/difusão por um trocador de calor a óleo térmico com
vistas à aplicação do sistema para o armazenamento de vacinas em áreas sem eletrificação e
usando um coletor solar para aquecimento do óleo. Um pequeno refrigerador comercial a
NH3/H2O/H2, dotado de resistor elétrico 80W/220V, foi escolhido para este estudo.
Primeiramente, para caracterizar o aparelho, testes experimentais indicaram um coeficiente de
performance entre 0,14 a 0,19, de acordo com a carga térmica imposta por um aquecedor
elétrico interno. Para substituir o resistor elétrico por um trocador de calor a óleo térmico, um
modelo matemático em EES e Python foi desenvolvido para auxiliar no projeto do dispositivo
e na seleção do óleo. As variáveis de entrada do modelo decorreram de dados do fabricante e
de medições feitas com termopares em pontos específicos do refrigerador. A partir disso, o
trocador de calor foi construído com um comprimento de 15 cm, um diâmetro do tubo interno
de 10 cm e um diâmetro do tubo envelope de 15 cm. O modelo foi usado para determinar o tipo
do óleo, a temperatura de operação de 207°C e perda de pressão de 2,23 kPa ao longo do circuito
de óleo. Essa perda implicou uma pressão de operação mínima acima da pressão de vapor do
óleo quente. Por fim, dois testes de partida do refrigerador foram realizados, um com resistor
elétrico como fonte de energia (teste 1), o outro usando o trocador de calor com o óleo aquecido
remotamente (teste 2). A operacionalidade do refrigerador a óleo térmico foi comprovada:
primeiros sinais de refrigeração após 15 minutos (testes 1 e 2); tempo para plena refrigeração
de 6 horas (testes 1 e 2); redução da temperatura interna relativa de 0,22°C/W no teste 1 e de
0,23°C/W no teste 2; constante de tempo da curva de resfriamento de 75 minutos no teste 1 e
de 80 minutos no teste 2.
Abstract
The Covid-19 pandemic has brought together several areas of knowledge, including the
sciences of immunology and refrigeration. New vaccination programs should take place in the
2020s. Vaccine storage requires modified refrigerators according to WHO (World Health
Organization) standards. Considering the logistical difficulties of transportation and the lack of
electrification in some more remote communities, a solar refrigerator for vaccine storage
represents an alternative to kerosene or gas refrigerators. Absorption/diffusion refrigerators
allow the use of solar radiation as an energy source. In this scenario, the objective of this work
is to study the prediction of replacing the electrical resistor of an absorption/diffusion
refrigerator with a thermal oil heat exchanger with a view to applying the system for storing
vaccines in areas without electrification and using a collector solar heating oil. A small
commercial NH3/H2O/H2 refrigerator, equipped with an 80W/220V electrical resistor, was
chosen for this study. Firstly, to characterize the device, experimental tests indicated a
performance coefficient between 0.14 and 0.19, according to the thermal load imposed by an
internal electric heater. To replace the electrical resistor with a thermal oil heat exchanger, a
mathematical model in EES and Python was developed to assist in device design and oil
selection. The model's input variables came from manufacturer data and measurements made
with thermocouples at specific points in the refrigerator. From this, the heat exchanger was
constructed with a length of 15 cm, an inner tube diameter of 10 cm and an envelope tube
diameter of 15 cm. The model was used to determine the oil type, operating temperature of
207°C and pressure loss of 2.23 kPa throughout the oil circuit. This loss implied a minimum
operating pressure above the vapor pressure of the hot oil. Finally, two refrigerator start-up tests
were carried out, one with an electrical resistor as a power source (test 1), the other using the
heat exchanger with the oil heated remotely (test 2). The operability of the thermal oil cooler
was proven: first signs of cooling after 15 minutes (tests 1 and 2); time for full cooling of 6
hours (tests 1 and 2); reduction in relative internal temperature of 0.22°C/W in test 1 and
0.23°C/W in test 2; cooling curve time constant of 75 minutes in test 1 and 80 minutes in test
2.
Assunto
Sustentabilidade, Energia, Refrigeradores, Condutores elétricos, Fluidos, Energia solar, Vacinas, Refrigeração
Palavras-chave
Refrigerador por absorção e difusão, Energia solar, Óleo térmico, Armazenagem de vacinas