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Título: Análise tribo-termodinâmica da aplicação de nanopartículas de Al2O3 como aditivo lubrificante em compressor hermético de refrigeração
Autor(es): Almeida, Igor Marcel Gomes
Palavras-chave: Nanolubrificantes;Irreversibilidades;Refrigerador;Tribologia
Data do documento: 15-Dez-2015
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citação: ALMEIDA, Igor Marcel Gomes. Análise tribo-termodinâmica da aplicação de nanopartículas de Al2O3 como aditivo lubrificante em compressor hermético de refrigeração. 2015. 178f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2015.
Resumo: The thermodynamic performance of a refrigeration system can be improved by reducing the compression work by a particular technique for a specific heat removal rate. This study examines the effect of small concentrations of Al2O3 (50 nm) nanoparticles dispersion in the mineral oil based lubricant on the: viscosity, thermal conductivity, and lubrication characteristics as well as the overall performance (based on the Second Law of Thermodynamics) of the refrigerating system using R134a or R600a as refrigerants. The study looked at the influences of variables: i) refrigerant charge (100, 110, 120 and 130 g), ii) rotational speed of the condenser blower (800 and 1100 RPM) and iii) nanoparticle concentration (0.1 and 0.5 g/l) on the system performance based on the Taguchi method in a matrix of L8 trials with the criterion "small irreversibility is better”. They were carried pulldown and cycling tests according to NBR 12866 and NBR 12869, respectively, to evaluate the operational parameters: on-time ratio, cycles per hour, suction and discharge pressures, oil sump temperature, evaporation and condensation temperatures, energy consumption at the set-point, total energy consumption and compressor power. In order to evaluate the nanolubricant characteristics, accelerated tests were performed in a HFRR bench. In each 60 minutes test with nanolubricants at a certain concentration (0, 0.1 and 0.5 g/l), with three replications, the sphere (diameter 6.00 ± 0.05 mm, Ra 0.05 ± 0.005 um, AISI 52100 steel, E = 210 GPa, HRC 62 ± 4) sliding on a flat plate (cast iron FC200, Ra <0.5 ± 0.005 um) in a reciprocating motion with amplitude of 1 mm, frequency 20 Hz and a normal load of 1,96 N. The friction coefficient signals were recorded by sensors coupled to the HFRR system. There was a trend commented bit in the literature: a nanolubricant viscosity reduction at the low nanoparticles concentrations. It was found the dominant trend in the literature: increased thermal conductivity with increasing nanoparticles mass fraction in the base fluid. Another fact observed is the significant thermal conductivity growth of nanolubricant with increasing temperature. The condenser fan rotational speed is the most influential parameter (46.192%) in the refrigerator performance, followed by R600a charge (38.606%). The Al2O3 nanoparticles concentration in the lubricant plays a minor influence on system performance, with 12.44%. The results of power consumption indicates that the nanoparticles addition in the lubricant (0.1 g/L), together with R600a, the refrigerator consumption is reduced of 22% with respect to R134a and POE lubricant. Only the Al2O3 nanoparticles addition in the lubricant results in a consumption reduction of about 5%.
metadata.dc.description.resumo: A performance termodinâmica de um sistema de refrigeração pode ser melhorada se a redução no trabalho de compressão for obtida por uma determinada técnica, para uma taxa de remoção de calor específica. Este trabalho analisa o efeito da dispersão, em pequena concentração, de nanopartículas de Al2O3 (50 nm de dâmetro) no lubrificante baseado em óleo mineral sobre: a viscosidade, condutividade térmica e características de lubrificação, bem como na performance global (baseada na segunda lei da termodinâmica) do sistema de refrigeração utilizando R134a ou R600a como refrigerantes. O estudo analisou as influências das variáveis: i) carga de refrigerante (100, 110, 120 e 130 g), ii) velocidade de rotação do forçador do condensador (800 e 1100 RPM) e iii) concentração de nanopartículas (0,1 e 0,5 g/L) sobre a performance do sistema utilizando o método Taguchi numa matriz de ensaios L8, tendo como critério ―menor irreversibilidade é melhor‖. Foram realizados ensaios de abaixamento de temperatura e ciclagem conforme normas NBR 12866 e NBR 12869, respectivamente, para avaliar os parâmetros operacionais de: porcentagem de funcionamento, número de ciclos por hora, pressões de sucção e descarga, temperatura do cárter do compressor, temperatura de evaporação, temperatura de condensação, consumo de energia até set-point, consumo total de energia e potência consumida. Para fins de avaliação das características de lubrificação dos nanolubrificantes utilizados no compressor, foram realizados ensaios acelerados em uma bancada de HFRR. Em cada ensaio de 60 minutos, lubrificado por um nanolubrificante com determinada concentração (0; 0,1 e 0,5 g/L), com três repetições, uma esfera (diâmetro 6,00±0,05 mm, Ra 0,05±0,005 μm, aço AISI 52100, E = 210 GPa, HRC 62±4) deslizava sobre um disco plano (ferro fundido cinzento FC200, Ra < 0,5±0,005 μm) em um movimento alternado com amplitude de 1 mm, frequência de 20 Hz e carga normal de 10 N. Os sinais de coeficiente de atrito e formação de filme foram registrados por sensores acoplados ao sistema HFRR. Observou-se uma tendência pouco comentada na literatura: a de redução da viscosidade do nanolubrificante com a presença de baixas concentrações de nanopartículas. Constatou-se a tendência dominante na literatura, aumento da condutividade térmica com o aumento da fração em massa de nanopartículas no fluido base. Outro fato constatado é o crescimento expressivo da condutividade térmica do nanolubrificante com o aumento da temperatura. A velocidade de rotação do ventilador do condensador é o parâmetro de maior influência (46,192 %) na performance termodinâmica do refrigerador, seguido da carga de R600a (38,606 %). A concentração de nanopartículas de Al2O3 no lubrificante desempenha a menor influência na performance do sistema, com 12,44%. Os resultados de consumo de energia indicam que a adição de nanopartículas ao lubrificante (0,5 g/l), juntamente com o R600a, permitem reduzir o consumo do refrigerador em 25,9%, com relação ao R134a e lubrificante POE. Somente a adição de nanopartículas de Al2O3 ao lubrificante resulta em redução de cerca de 5% no consumo.
URI: http://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/21142
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