Estudo numérico e experimental da vedação aerodinâmica em espaços refrigerados

Abstract

Em instalações frigoríficas industriais as portas de acesso têm que permanecer abertas por períodos mais ou menos longos, seja em operações de rotina ou de carga/descarga. A diferença de temperatura induz a infiltração de ar quente do exterior no espaço refrigerado, podendo causar vários problemas, como sejam: perda de qualidade dos produtos; aumento dos custos de funcionamento do sistema de frio e problemas de segurança. Com o objectivo de minimizar tais efeitos diferentes soluções podem ser adoptadas, sendo a vedação aerodinâmica por cortina de ar uma das mais interessantes, pois permite preservar as características térmicas e químicas do espaço interior e, ao mesmo tempo, o livre acesso por pessoas e máquinas. Neste trabalho apresenta-se o estudo experimental e numérico sobre a aplicação de cortinas de ar como elementos activos de isolamento térmico de portas de acesso a câmaras frigoríficas. Para o efeito, foi construída e instrumentada uma instalação piloto, à escala laboratorial, constituída no essencial por dois compartimentos contíguos, com um dispositivo de cortina de ar instalado sobre a porta de ligação. As condições térmicas iniciais nos compartimentos frio e quente eram asseguradas, respectivamente, por uma unidade de refrigeração e por um convector eléctrico, e a sua evolução temporal medida durante o período em que a porta era mantida aberta. As trocas de energia entre os dois espaços foram avaliadas, com o equipamento de cortina de ar em funcionamento ou não. Para analisar o comportamento do dispositivo de vedação foi implementado um modelo numérico usando a mecânica de fluidos computacional, inicialmente numa formulação bidimensional (2D), posteriormente substituída por um modelo tri-dimensional (3D). Observou-se uma boa concordância entre as medições experimentais e as previsões numéricas, nomeadamente da evolução temporal da temperatura em diferentes pontos de monitorização e através do efeito de vedação obtido. O modelo numérico desenvolvido permitiu a realização de um estudo sistemático dos parâmetros do problema e a sua comparação com resultados anteriormente publicados por outros investigadores. Numa primeira fase, para a configuração mais comum (cortina de ar de jacto descendente, sem recirculação), avaliou-se a influência dos diferentes parâmetros (altura do vão da porta, diferença de temperatura reinante em ambos os lados da porta, espessura do bocal de descarga e orientação inicial do jacto), procurando obter um máximo efeito de vedação. Numa segunda fase, foram analisadas diversas configurações (cortinas de ar de jacto vertical descendente, simples e duplo, de jacto horizontal, com e sem recirculação do ar), tendo-se concluído que a configuração mais adequada, para este tipo de aplicações, corresponde à cortina de ar de jacto vertical descendente, instalada do lado exterior sobre a porta de acesso à câmara frigorífica. Finalmente, propõe-se uma estratégia inovadora para a operação dos equipamentos de cortina de ar, incorporando um dispositivo electrónico de controlo da velocidade do jacto, de forma a funcionar próximo das condições óptimas, isto é, correspondentes à máxima eficiência de vedação.

In refrigerating stores the access doors must remain open during long periods either for routine or for loading/unloading operations. As result of the indoor and outdoor temperature differences, air exchanges occur and the infiltration of outside hot air in the refrigerated space can lead to undesirable effects such as product quality loss, higher operational costs and safety problems. In order to minimise these effects different solutions can be adopted and aerodynamic sealing by curtain air is one of the most interesting as it can preserve to a certain extent the indoor conditions allowing at the same time free access for people and machines. In this work an experimental and numerical study about the use of air curtains as active elements for sealing refrigerated spaces is presented. The experimental installation, constructed at a laboratory scale, consisted of two adjacent rooms linked by a door equipped with an air curtain device. Initial temperatures in both cold and hot rooms were imposed by a refrigeration unit and an electrical heater, respectively, and their time evolution measured during the opening periods of the door. The mass and energy exchanges between the two spaces were evaluated, with the air curtain operating or not. To analyse the behaviour of the sealing device a numerical model was implemented using Computational Fluid Dynamics, initially in a two-dimensional formulation that was later replaced by a three-dimensional one. A good agreement was observed between experimental measurements and numerical predictions, namely the time evolution of temperature at different monitoring points and the sealing effect. The developed numerical model enabled a parametric study on different issues of the problem and a comparison with the results obtained with models previously published by other authors could be performed and is also presented. At first, to the common configuration (vertical downward air curtain) the influence of different parameters, namely the initial temperature difference, the air jet velocity and orientation and the dimensions of the door, were analysed in order to obtain the maximum sealing effect. In a second parametric study, different configurations for the air curtain were analysed (vertical downward air jet, twin curtains and horizontal jet curtain, with and without air recirculation), the downward vertical curtain, located on the outdoor side of the cold room, showing to be the most appropriated. Finally, an innovative strategy is proposed for the air curtain operation, incorporating an electronic controller of the discharge jet velocity and adapting the device to operate in optimal conditions, that is with maximum sealing efficiency.