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Autores
Resumo(s)
Frost formation on refrigeration system evaporators degrades thermal performance and
increases energy consumption. Conventional defrosting methods, typically timecontrolled,
are inefficient and lead to unnecessary energy use. This thesis addresses this
issue by developing and validating a cost-effective resistive sensor for demand-defrost
applications. An iterative design-build-test methodology was employed to evaluate
various sensor configurations, such as the air gap, ceramic medium, and fabric-medium
designs. To provide an objective benchmark, a computer vision method was developed
to quantify frost accumulation, complemented by an absolute humidity-based detector
for validating defrost completion. The FMRS4 sensor demonstrated the most repeatable
performance, consistently detecting both frost nucleation and defrost completion when
sensor placement is adequate. Signal processing algorithms, including a Frost
Nucleation Detector and a Defrost Completion Detector, were successfully developed
and implemented. The study also highlights the importance of sensor placement,
utilising frost formation maps derived from CV analysis to identify optimal sensor
placement. Furthermore, strategies to mitigate electrochemical effects and compensate
for temperature dependency were developed, and the feasibility of an energyautonomous
sensor powered by a thermoelectric generator was demonstrated. The
research culminates in a validated sensor technology that offers a practical pathway
towards more intelligent and energy-efficient refrigeration systems.
A formação de gelo em evaporadores de sistemas de refrigeração é um fenómeno que degrada a sua eficiência energética, levando a um aumento do consumo de energia e a custos operacionais mais elevados. Para mitigar este problema, os sistemas de refrigeração recorrem a ciclos de descongelação que, na sua maioria, são ativados por temporizadores. Esta abordagem, embora simples, é ineficiente, pois os ciclos são dimensionados para as piores condições de funcionamento, resultando em descongelações desnecessárias ou excessivas na maioria das situações. Uma alternativa mais eficiente é a descongelação por-demanda, que ativa o ciclo apenas quando a acumulação de gelo o justifica. A implementação desta estratégia requer, no entanto, métodos fiáveis e de baixo custo para a deteção de gelo, uma área onde ainda existe espaço para inovação. Neste contexto, a presente tese foca-se no desenvolvimento de sensores resistivos para a deteção da formação de gelo, explorando-os como uma solução económica e de fácil integração. O trabalho aborda o ciclo completo de desenvolvimento, desde a conceção teórica, passando pela prototipagem e testes experimentais, até à validação final. Ao longo da investigação, foram desenvolvidas e avaliadas várias famílias de sensores, simples e com materiais entre os elétrodos tais como cerâmica, tecido e encapsulados. Também foram produzidos sensores por fabrico aditivo. Para validar objetivamente o desempenho destes sensores, foi desenvolvido um método de visão computacional para quantificar a formação de gelo na superfície do permutador de calor. Para além de ser um método adicional de deteção da formação de gelo, serviu como uma referência independente para correlacionar e validar os sinais dos sensores resistivos. Adicionalmente, foi implementado um detetor de conclusão de descongelação baseado na medição da humidade absoluta, que valida a conclusão do ciclo de descongelação. A investigação demonstrou que a posição no permutador e a colocação do sensor são fatores críticos para a sua fiabilidade. Por esse motivo, o método de visão computacional foi expandido para criar mapas da formação de gelo, permitindo analisar a distribuição espacial do gelo e identificar as zonas mais representativas para a instalação dos sensores. O estudo do sensor com melhor desempenho, o FMRS4, incluiu o desenvolvimento de algoritmos de processamento de sinal para a deteção da nucleação de gelo e da conclusão da descongelação. Estes algoritmos foram validados experimentalmente em doze ciclos de congelação-descongelação, demonstrando uma elevada fiabilidade na deteção de ambos os eventos, desde que o sensor estivesse corretamente posicionado. O trabalho explorou ainda aspetos complementares, como a mitigação de efeitos eletroquímicos que afetam as medições e a compensação da dependência do sinal com a temperatura. Foi também investigado o conceito de um módulo de deteção autónomo em termos energéticos, alimentado por um gerador termoelétrico que aproveita os gradientes de temperatura do próprio sistema de refrigeração. Os resultados confirmaram a viabilidade de gerar energia suficiente para alimentar um sensor de baixo consumo e o seu sistema de comunicação sem fios. Em suma, esta tese contribui para o avanço de tecnologias de deteção de gelo, apresentando uma solução de baixo custo com potencial para otimizar as operações de descongelação, resultando em sistemas de refrigeração mais sustentáveis e eficientes.
A formação de gelo em evaporadores de sistemas de refrigeração é um fenómeno que degrada a sua eficiência energética, levando a um aumento do consumo de energia e a custos operacionais mais elevados. Para mitigar este problema, os sistemas de refrigeração recorrem a ciclos de descongelação que, na sua maioria, são ativados por temporizadores. Esta abordagem, embora simples, é ineficiente, pois os ciclos são dimensionados para as piores condições de funcionamento, resultando em descongelações desnecessárias ou excessivas na maioria das situações. Uma alternativa mais eficiente é a descongelação por-demanda, que ativa o ciclo apenas quando a acumulação de gelo o justifica. A implementação desta estratégia requer, no entanto, métodos fiáveis e de baixo custo para a deteção de gelo, uma área onde ainda existe espaço para inovação. Neste contexto, a presente tese foca-se no desenvolvimento de sensores resistivos para a deteção da formação de gelo, explorando-os como uma solução económica e de fácil integração. O trabalho aborda o ciclo completo de desenvolvimento, desde a conceção teórica, passando pela prototipagem e testes experimentais, até à validação final. Ao longo da investigação, foram desenvolvidas e avaliadas várias famílias de sensores, simples e com materiais entre os elétrodos tais como cerâmica, tecido e encapsulados. Também foram produzidos sensores por fabrico aditivo. Para validar objetivamente o desempenho destes sensores, foi desenvolvido um método de visão computacional para quantificar a formação de gelo na superfície do permutador de calor. Para além de ser um método adicional de deteção da formação de gelo, serviu como uma referência independente para correlacionar e validar os sinais dos sensores resistivos. Adicionalmente, foi implementado um detetor de conclusão de descongelação baseado na medição da humidade absoluta, que valida a conclusão do ciclo de descongelação. A investigação demonstrou que a posição no permutador e a colocação do sensor são fatores críticos para a sua fiabilidade. Por esse motivo, o método de visão computacional foi expandido para criar mapas da formação de gelo, permitindo analisar a distribuição espacial do gelo e identificar as zonas mais representativas para a instalação dos sensores. O estudo do sensor com melhor desempenho, o FMRS4, incluiu o desenvolvimento de algoritmos de processamento de sinal para a deteção da nucleação de gelo e da conclusão da descongelação. Estes algoritmos foram validados experimentalmente em doze ciclos de congelação-descongelação, demonstrando uma elevada fiabilidade na deteção de ambos os eventos, desde que o sensor estivesse corretamente posicionado. O trabalho explorou ainda aspetos complementares, como a mitigação de efeitos eletroquímicos que afetam as medições e a compensação da dependência do sinal com a temperatura. Foi também investigado o conceito de um módulo de deteção autónomo em termos energéticos, alimentado por um gerador termoelétrico que aproveita os gradientes de temperatura do próprio sistema de refrigeração. Os resultados confirmaram a viabilidade de gerar energia suficiente para alimentar um sensor de baixo consumo e o seu sistema de comunicação sem fios. Em suma, esta tese contribui para o avanço de tecnologias de deteção de gelo, apresentando uma solução de baixo custo com potencial para otimizar as operações de descongelação, resultando em sistemas de refrigeração mais sustentáveis e eficientes.
Descrição
Palavras-chave
Formação de gelo Sensores para a deteção de gelo Sensores Visão computacional Gelo Eficiência energética Evaporadores Sistemas de refrigeração Descongelação Frost formation Demand defrost Resistive sensors Computer vision Refrigeration systems Energy efficiency Evaporators Heat exchangers Signal processing