Universidade da Beira Interior Departamento de Engenharia Electromecânica

1. ESTUDO NUMÉRICO E EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EQUIPAMENTOS EXPOSITORES REFRIGERADOS Universidade da Beira Interior Departamento de Engenharia Electromecânica Pedro Dinis Gaspar Universidade da Beira Interior Covilhã e UBI, Julho 2002

2. Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Sistemas de Produção e Conservação de Energia Universidade da Beira Interior Departamento de Engenharia Electromecânica 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)

3. 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 estadosanitário e nutritivo. • DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS DE ANÁLISE: • Minimização do consumo energético; • Melhoria da performance dos equipamentos. • AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL; • SIMULAÇÃO NUMÉRICA.

4. 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.

5. EQUIPAMENTOS EXPOSITORES ILHA MURAL VITRINE (Cortesia: JORDÃO Cooling Systems ®)

6. OBJECTIVOS • DESENVOLVIMENTO DE MODELO NUMÉRICO: • Simulação do DesempenhoTérmico 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. ESTUDO EXPERIMENTAL • TÉCNICAS EXPERIMENTAIS E EQUIPAMENTOS • Condições de fronteira do modelo. • Validação das previsões numéricas.

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

12. ESTUDO EXPERIMENTAL • MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS

13. ESTUDO EXPERIMENTAL • TÉCNICAS EXPERIMENTAIS COMPLEMENTARES • Avaliação auxiliar da distribuição das propriedades. • Recolha fotográfica: Nikon F60 –Filme 100 ASA

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

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. MODELO NUMÉRICO • CONDIÇÕES DE FRONTEIRA

19. 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.

20. RESULTADOS NUMÉRICOS • LINHAS DE CORRENTE e VECT. DE VELOCIDADE

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

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

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

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

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

26. 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.

27. 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.

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

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

30. 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.

31. 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.

32. 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.

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

34. 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.

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

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

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

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

39. 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.

40. 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.

41. 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.

42. 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.