geraÇÃo de frio e calor atravÉs da energia das ondas sem utilizaÇÃo de...
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GERAÇÃO DE FRIO E CALOR ATRAVÉS DA ENERGIA DAS ONDAS SEM UTILIZAÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA
Matheus Richter Poggio de Carvalho
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
Orientador: Daniel Onofre de Almeida Cruz
Orientador: Eliab Ricarte Beserra
Rio de Janeiro
Março 2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
GERAÇÃO DE FRIO E CALOR ATRAVÉS DA ENERGIA DAS ONDAS SEM
UTILIZAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Matheus Richter Poggio de Carvalho
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D. Sc
________________________________________________
Prof. Eliab Ricarte Beserra, D. Sc
________________________________________________
Prof. David Alves Castelo Branco, D. Sc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO DE 2018
i
de Carvalho, Matheus Richter Poggio
Geração de frio e calor através da energia das
ondas sem utilização de energia elétrica. – Rio de
Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2018
X, p 69 il; 29,7 cm
Orientador: Daniel Onofre de Almeida Cruz &
Eliab Ricarte Beserra
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola
Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2018.
Referência Bibliográficas: p 68
1. Fontes Renováveis de Energia 2. Energia das
Ondas 3. Máquina de Refrigeração 4. Climatização e
Aquecimento de Água I Daniel Onofre de Almeida Cruz
II Eliab Ricarte Beserra III Universidade Federal do Rio
de Janeiro IV Geração de frio e calor através da energia
das ondas sem utilização de energia elétrica. – Rio de
Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2018
ii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como
parte dos requisitos necessários para obtenção de grau de Engenheiro Mecânico.
Geração de frio e calor através da energia das ondas sem utilização de energia
elétrica.
Matheus Richter Poggio de Carvalho
Março/2018
Orientador: Daniel Onofre de Almeida Cruz & Eliab Ricarte Beserra
Curso: Engenharia Mecânica
Este projeto final de graduação apresenta o projeto de uma máquina de refrigeração
para geração de frio e calor sem utilização de energia elétrica a fim de climatizar e
aquecer água em uma plataforma marinha. Foi projetada uma interface entre um
circuito hidráulico e o compressor para o modelo de conversor de energia das ondas
desenvolvido pela COPPE/UFRJ, do tipo ponto absorvedor para ambientes
nearshore. O modelo é constituído por um flutuador piramidal que oscila
verticalmente com a passagem das ondas, suportado por uma estrutura fixa. Foi
definido o fluido refrigerante através de uma seleção dando importância ao impacto
na camada de ozônio (ODP) e do aquecimento global (GWP). Foram comparados
dois ciclos termodinâmicos e foi selecionado o que obteve o maior coeficiente de
eficácia. É descrita a montagem da máquina de refrigeração. No final, foram
realizados dois estudos, o primeiro de climatização de habitações, no qual o
resultado mostrou que são necessários 3 flutuadores para atender a potência
frigorífera de 201,6 kW e o segundo de aquecimento de água para consumo próprio,
iii
o que durou 2 horas e 30 minutos. Ambos os estudos foram realizados para uma
plataforma de petróleo.
iv
Abstract of the Undergraduate Project presented to Polytechnic School / UFRJ as
partial fulfilment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
Generation of cold and heat through the energy of the waves without use of electric
energy.
Matheus Richter Poggio de Carvalho
March 2018
Advisor: Daniel Onofre de Almeida Cruz & Eliab Ricarte Beserra
Course: Mechanical Engineering
This undergraduate project presents a design of a refrigeration machine for the
generation of cold and heat without the use of electric power in order to climatize
and heat water on a marine platform. An interface was designed for a hydraulic circuit
and the compressor for the WEC model developed by COPPE / UFRJ, point
absorber in nearshore environments. The model consists of a pyramidal float that
oscillates vertically with a passage of the waves, supported by a fixed structure. The
refrigerant was defined through a selection for the impact on the ozone layer (ODP)
and global warming (GWP). Two thermodynamic cycles were compared and it was
selected one that obtained the highest coefficient of efficacy. The composition of the
cooling machine assembly (evaporators, valve and compressor) it is described. In
the end, two studies were carried out, the first of which was to air-conditioning
houses, without quality and result, three floats are essential to meet the cooling
capacity of 201.6 kW and the second one of water heating for consumption, which
lasted 2 hours and 30 minutes. Both studies carried out for an oil rig.
v
Sumário
1. Introdução ....................................................................................................... 1
1.1. Aquecimento Global .................................................................................. 1
1.2. Fontes Renováveis de Energia ................................................................. 2
1.3. Geração de Energia de Ondas .................................................................. 5
1.4. Máquina de Refrigeração movida a energia das Ondas ............................ 6
1.4.1. Resumo dos Capítulos ........................................................................... 6
2. Revisão bibliográfica ....................................................................................... 7
2.1. Formação das Ondas ................................................................................ 7
2.2. Mecanismos de conversão da energia das ondas: .................................... 8
2.2.1. Exemplos de dispositivos de conversão de ondas classificados quanto
devido à localização ........................................................................................ 9
2.2.1.1. Shoreline ......................................................................................... 9
2.2.1.1.1. Coluna de água oscilante (OWC): ................................................ 9
2.2.1.1.2. Sistema de pêndulo ................................................................... 10
2.2.1.2. Nearshore ..................................................................................... 11
2.2.1.2.1. Sistema Wave Dragon ............................................................... 11
2.2.1.2.2. Wave Roller ............................................................................... 12
2.2.1.3. Offshore ........................................................................................ 13
2.2.1.3.1. Power Buoy ................................................................................ 13
2.2.1.3.2. Salter Duck System .................................................................... 14
2.2.1.3.3. Sistema Pelamis ............................................................................ 15
2.2.1.3.4. Sistema Archimedes - Wave Swing - AWS ............................... 16
2.3. Modelo PPE/Coppe UFRJ ................................................................... 18
2.4. Máquina de refrigeração ......................................................................... 19
3. Máquina de refrigeração ................................................................................ 21
3.1. Cálculo da Potência ................................................................................ 21
3.1.1. Modelo Geométrico: ......................................................................... 21
3.1.2. Ondas Regulares: ............................................................................. 21
3.1.3. Ondas Irregulares: ............................................................................ 22
3.4. Interface circuito hidráulico e compressor ............................................... 24
3.5. Refrigerantes .............................................................................................. 32
3.5.1. Compostos Halocarbônicos ................................................................. 32
vi
3.5.2. Compostos Inorgânicos ....................................................................... 33
3.5.3. Hidrocarbonetos .................................................................................. 34
3.5.4. Azentropos .......................................................................................... 34
3.5.5. Fator de Aquecimento Global .............................................................. 35
3.5.6. Camada de ozônio ............................................................................... 35
3.7. Ciclos de Refrigeração ............................................................................... 38
3.8. Ciclo 1 ..................................................................................................... 39
3.9. Ciclo 2 ..................................................................................................... 42
3.10. Escolha do Ciclo .................................................................................. 44
3.11. Seleção de Equipamentos ...................................................................... 45
3.11.1. Evaporadores ................................................................................... 45
3.12. Válvulas de Expansão ......................................................................... 47
3.13. Trocadores de Calor ............................................................................ 48
3.14. Compressor ......................................................................................... 49
4. Estudo de caso .............................................................................................. 51
4.1. Climatização ........................................................................................... 51
4.1.1. Cálculo da carga térmica .................................................................. 54
4.1.1.1. Transmissão de calor .................................................................... 54
4.1.1.2. Ocupação ...................................................................................... 56
4.1.1.3. Infiltração ....................................................................................... 56
4.1.1.4. Iluminação ..................................................................................... 57
4.1.1.5. Equipamentos ............................................................................... 57
4.1.2. RSHF ................................................................................................... 58
4.1.3. Cálculo de Vazão de Ar externo........................................................... 58
4.2. Aquecimento de água ............................................................................. 63
5. Conclusão ..................................................................................................... 68
6. Referências Bibliográficas ............................................................................. 69
1
1. Introdução
1.1. Aquecimento Global
A emissão de gases de efeito estufa proveniente da utilização de diversos
combustíveis tem provocado alterações na biosfera e calcula-se um aumento na
temperatura do planeta entre 2 e 5,8°C nos próximos 100 anos segundo o Painel
Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) de 2007.
O Acordo de Paris, realizado em 2015, foi assinado por 195 países que se
comprometeram a diminuir a emissão de gases de efeito estufa. O mesmo acordo
prevê a limitação do aumento da temperatura em 1,5 °C acima dos níveis pré-
industrial conforme dados do Ministério do Meio Ambiente (2017).
O Brasil comprometeu-se a reduzir as emissões em 37% dos níveis de 2005
com uma pós indicação de reduzir em 43% dos níveis de 2005 até 2030 de acordo
com o relatório da iNDC (2015). Para cumprir a meta, o Brasil se comprometeu a
aumentar a participação da bioenergia sustentável na sua matriz energética em
aproximadamente 18% até 2030, restaurar 12 milhões de hectares de floresta e
alcançar uma participação estimada de 45% de energias renováveis na matriz
energética.
O Acordo de Paris é uma oportunidade para o Brasil requalificar o projeto de
desenvolvimento nacional, levando investimentos para o desenvolvimento de novas
tecnologias assim como a melhoria da infraestrutura do país. Uma política
ambiciosa e coerente sobre mudança do clima com as prioridades nacionais de
desenvolvimento resultará em benefícios nas áreas de segurança hídrica e
alimentar (com produção sustentável), qualidade ambiental, eficiência energética,
uso de recursos renováveis para geração de energia, mobilidade urbana e inovação
e competitividade da indústria nacional, entre outros, segundo a CEBDS (2018)
2
1.2. Fontes Renováveis de Energia
É importante definir fonte alternativa e fonte renováveis para que não haja
erro na classificação das fontes de energia. Fonte alternativa de energia é aquela
que se propões a substituir ao que é normalmente usada. Devido à fatores
tecnológicos ou econômicos esse tipo de energia não é utilizado, pois não possuem
uma alta competividade. Dentre as fontes alternativas estão as renováveis e não
renováveis. As energias renováveis são aquelas que conseguem se regenerar com
o tempo (bio massa por exemplo) ou são naturais (sol ou vento).
O Brasil tem uma grande vantagem no uso de energias renováveis, pois
dispõe de diversos recursos e extensão territorial para implementação das energias
renováveis, e principalmente devido ao uso de hidroelétricas na matriz energética.
Na figura 1.1 é possível ver o gráfico da evolução da participação das energias
renováveis e não renováveis desde 2005 até o ano em 2030. Em 2010 a energia
renovável constituiu uma participação de 43% na matriz energética, com previsão
de chegar a 44,8% em 2030.e
FIGURA 1–1 COMPARAÇÃO DA PARTICIPAÇÃO DA ENERGIA RENOVÁVEIS E NÃO RENOVÁVEIS NA MATRIZ ENERGÉTICA
FONTE EPE (2013)
A figura 1.2 mostra a divisão da porcentagem de participação das principais
fontes de energia na matriz energética brasileira em 2013.
3
FIGURA 1–2 –PARTICIPAÇÃO DA ENERGIA RENOVÁVEL E NÃO RENOVÁVEL NA MATRIZ ENERGÉTICA
FONTE – EPE (2013)
Em relação a utilização de energia primária, em 2013 o Brasil utilizava 41%
de energia renovável e 59 % de não renovável.
Quando comparado com a média mundial, o Brasil tem destaque devido ao
uso de energias renováveis em sua matriz energética. Nas figuras 1.3 e 1.4 nota-se
a diferença da participação de energia renováveis no Brasil comparada à média
mundial. Importante ressaltar a participação da hidroelétrica na matriz brasileira.
4
FIGURA 1–3 COMPARAÇÃO DA PARTICIPAÇÃO DAS ENERGIA RENOVÁVEIS BRASIL X MUNDO
FONTE EPE 2013
FIGURA 1–4 OFERTA DE ENERGIA BRASIL X MUNDO
FONTE – AGÊNCIA INTERACIONAL DE ENERGIA E BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL 2013
5
1.3. Geração de Energia de Ondas
Segundo Rodrigues (2008), a energia das ondas se refere ao aproveitamento
das ondas oceânicas para geração de trabalho útil, mecânico ou elétrico. A energia
das ondas é uma promissora fonte de energia renovável já que ela se manifesta em
larga escala em todas as regiões do globo. O potencial teórico de energia que pode
ser extraída corresponde a 8x106 TWh por ano o que equivale a 100 vezes o total
da geração da hidroeletricidade em todo o planeta. Para gerar essa energia por
fontes convencionais, seria necessário emitir cerca de 2 milhões de toneladas de
CO2 por fontes convencionais. É estimado que as ondas possuem um potencial total
de 2 TW no mundo, porém, normalmente é possível transformar apenas 10 a 15%
em energia útil.
Existem alguns benefícios do uso de energia das ondas, entre eles estão a
maior densidade energética dentre as fontes de energia renováveis e o baixo
impacto ambiental.
Ainda existem muitos desafios para serem alcançados para a energia das
ondas ser viável economicamente. Um dos problemas é a conversão de baixa
frequência, geralmente em torno de 0,1 Hz e alta força oscilatória que dificulta a
introdução da energia no grid. Em adição, ondas no ambiente offshore mudam de
direção frequentemente, dificultando a captura de forma otimizada da onda.
6
1.4. Máquina de Refrigeração movida a energia das Ondas
A máquina de refrigeração movida a energia das ondas visa ter uma eficiência
energética, visto que a premissa desse trabalho é a menor transformação de
energia até a utilização final. Em adição, o projeto visa produzir trabalho de alguma
maneira, seja como a movimentação de um compressor que será o caso estudado,
assim como armazenamento de energia de forma de ar comprimido ou
bombeamento de água, que serão estudados posteriormente.
A primeira vantagem dessa máquina, é encurtar a distância entre a produção e
o consumo energético, assim diminuindo a chance de interrupção de energia por
problemas de infraestrutura ou, até mesmo, desastres naturais. A segunda
vantagem é dispensa de utilização de cabos transmissores de eletricidade o que
resulta numa maior eficiência energética. A terceira é a utilização de uma energia
de fonte verdadeiramente limpa, diminuindo a demanda de combustíveis fósseis e,
consequentemente, diminuindo a poluição local. A última vantagem é poder suprir
utilidades para áreas que estão fora do grid, diminuindo a necessidade de transporte
de combustíveis para tais regiões.
1.4.1. Resumo dos Capítulos
O capítulo 2 faz uma introdução ao conceito dos tipos de conversores de
energia de ondas existente e o projeto em desenvolvimento pelo PPE/COPPE
UFRJ. O capítulo 3 discute a estimativa de potência para o dispositivo em
desenvolvimento, a simulação de um circuito hidráulico, a conexão do flutuador com
a casa de máquinas e a interface circuito hidráulico com o compressor. O capítulo
4 discute e seleciona o refrigerante mais adequado para aplicação na máquina de
refrigeração, introduz dois ciclos de refrigeração usando o software CoolPack e
termina selecionando os componentes da máquina de refrigeração serão
7
selecionados. O capítulo 5 descreve dois possíveis usos da máquina de refrigeração
através de estudos de caso, um de climatização e outro de aquecimento.
2. Revisão bibliográfica
2.1. Formação das Ondas
As ondas são formadas a partir da combinação de diversas forças oriundas
dos ventos, da força da gravidade e das tensões superficiais. A figura 2.1 abaixo
ilustra a formação das ondas devido a tempestades. O tamanho da onda é
determinado pela força e tempo de atuação vento, pela pista (espaço da qual o
vento atua sobre o oceano). Para distância longe da pista, quando não estão
sofrendo mais ação dos ventos que a formou, o regime é chamado de swell e,
quando ainda estão sob influência dos ventos que as formou, de sea, ou vaga em
português
8
FIGURA 2–1 FORMAÇÃO DAS ONDAS
FONTE MIRACOSTA COLLEGE (2007)
As ondas do mar transportam fluxo de energia hidráulica. A potência
associada com um comprimento de onda λ, altura H e uma frente de onda b é dada
pela equação 2.1 por:
𝑃 =
1
2𝜌𝑔𝐻²𝜆𝑏
(2.1)
Onde ρ é o peso específico da água do mar e g é a aceleração da gravidade. A
potência por cada metro de frente de onda associada a uma onda uniforme com
altura H (m) e comprimento de onda λ (m), conforme a equação 2.2, expresso em
W/m:
𝑃𝑢 =
𝑃
𝑏 = 𝜌𝑔𝐻2𝜆
(2.2)
2.2. Mecanismos de conversão da energia das ondas:
Atualmente, há inúmeros mecanismos capazes de extrair energia das ondas
e muitos ainda sendo estudados. Esses mecanismos podem ser classificados em
9
grupos dependendo da localização de atuação shoreline, nearshore e offshore e
pela forma de interação da onda: attenuator, point absover e terminator.
2.2.1. Exemplos de dispositivos de conversão de ondas classificados quanto devido à localização
2.2.1.1. Shoreline
2.2.1.1.1. Coluna de água oscilante (OWC):
Esse sistema consiste em uma câmara construída na linha da costa,
geralmente em costões rochosos, conforme mostrado na figura 2.2. Os movimentos
das ondas dentro da câmara empurram o ar para o ambiente externo que passa por
uma turbina na parte superior. Quando as ondas voltam para o mar, o ar externo é
sugado de volta para a câmara passando novamente pelo conduto turbina. A turbina
tem suas pás projetadas de tal forma para girar sempre na mesma direção. Um
exemplo de um mecanismo que já gera energia para o grid é o Islay Iimpet
localizado na Escócia.
10
FIGURA 2–2 COLUNA DE ÁGUA OSCILANTE
FONTE NORTEK 2012
2.2.1.1.2. Sistema de pêndulo
O sistema de pêndulo (Figura 2.3) possui uma superfície articulada para
rotacionar em um eixo quando a ondas passam, causando um movimento de
abertura e fechamento da câmara. Esse movimento é usado para fornecer energia
a uma bomba hidráulica e depois gerar energia.
11
FIGURA 2–3 SISTEMA DE PÊNDULO
FONTE RODRIGUES (2008)
2.2.1.2. Nearshore
2.2.1.2.1. Sistema Wave Dragon
O sistema Wave Dragon foi um dos primeiros sistemas nearshore do mundo
a fornecer energia para o grid. A ideia básica do sistema consiste em utilizar dois
refletores que captam uma maior frente de onda (Figura 2.4) e direciona para uma
rampa que conduz a água captada para um reservatório (Figura 2.5). A água com
a ação da gravidade retorna para o oceano passando por uma turbina que gera
energia. É um sistema de simples entendimento e as únicas partes moveis são as
turbinas.
12
FIGURA 2–4 WAVE DRAGON
FONTE WAVE DRAGON.NET (2010)
FIGURA 2–5 WAVE DRAGON
FONTE WAVE DRAGON.NET (2010)
2.2.1.2.2. Wave Roller
O sistema Wave Roller (Figura 2.6) consiste numa plataforma no leito do
oceano no qual o movimento de inda e vinda da onda é coletado por um prato que
aciona um pistão para comprimir um óleo hidráulico. O Wave Roller tem vantagem
de ser invisível da superfície, causando menores impacto visual.
13
FIGURA 2–6 WAVE ROLLER
FONTE HEMPEL (2012)
2.2.1.3. Offshore
2.2.1.3.1. Power Buoy
O sistema consiste em aproveitar o movimento de subida e descida de uma
boia quando da passagem das ondas gerando energia mecânica conforme a Figura
2.7. Uma boia envolvendo um poste metálico acionada com a passagem da onda,
move um pistão, que imprime um movimento oscilatório pressurizando um fluido
hidráulico.
14
FIGURA 2–7 POWER BUOY
FONTE ANDREAS POULLIKKAS 2014
2.2.1.3.2. Salter Duck System
Inventado nos anos 70, foi um dos primeiros mecanismos para converter
ondas do mar. A figura 2.8 mostra o esquema do sistema Salter Duck. O mecanismo
tem um movimento de rotação no seu próprio eixo. Apesar de ser eficiente para
geração de energia, a máquina teórica nunca foi para o mar devido a seu complexo
sistema hidráulico.
15
FIGURA 2–8SALTER DUCK
FONTE THORPE (1999)
2.2.1.3.3. Sistema Pelamis
O sistema Pelamis (Figura 2.9), inspirada numa cobra marinha, consiste em
cilindros articulados em série. Cada articulação bombeia um fluido hidráulico para
movimentar um motor e assim gerar energia. O sistema é seguro por cabos flexíveis
ancorados no fundo do mar.
FIGURA 2–9 PELAMIS
FONTE REUK UK (2006)
16
2.2.1.3.4. Sistema Archimedes - Wave Swing - AWS
O sistema AWS consiste numa boia submersa em forma de cilindro conforme
mostra a Figura 2.10. Quando a crista da onda está sobre o mecanismo, a maior
massa d’água comprime o cilindro devido a maior pressão e quando a vaga da onda
está sobre o mecanismo o cilindro expande devido a menor pressão. Essa diferença
de pressão é utilizada como energia mecânica que é convertida em elétrica através
de um gerador elétrico.
FIGURA 2–10 ARCHIMEDES
FONTE OREGON STATE UNIVERSITY (2010)
17
2.2.2. Exemplos de dispositivos de conversão de ondas classificados quanto
ao tipo de iteração com as ondas:
TIPO FIGURA 2–11 TIPOS DE ABSORVEDORES
FONTE NETO (2017)
2.2.2.1. Attenuator
Os atenuadores atuam paralelamente a direção de onda. Um exemplo desse
tipo é o modelo Pelamis (Figura 2.9).
2.2.2.2. Point absorver
Os pontos absorvedores são dispositivos que possuem uma dimensão
pequena comparada ao tamanho de onda. Eles podem ser flutuantes os submersos
como os sistemas das Figuras 2.7 e 2.10.
2.2.2.3. Terminator
Dispositivos terminator têm seu eixo principal paralelo a frente de onda
(perpendicular a direção da onda) e interceptam fisicamente a onda. Um exemplo
desse tipo é o Salter Duck (Figura 2.8).
18
2.3. Modelo PPE/Coppe UFRJ
O modelo idealizado pelo pesquisador Eliab Ricarte Beserra no PPE
(Programa de Planejamento Energético) da COPPE/ UFRJ, ilustrado na Figura 2.12
é do tipo point absorver em ambiente nearshore que tem a intenção de otimizar a
captura da energia potencial e cinética da frente onda para aumentar o
deslocamento vertical da boia. O flutuador oscila em um movimento de heave,
dentro de uma estrutura treliçada em forma de torre fixada no leito marinho.
FIGURA 2–12 MODELO COPPE
FONTE D’EGMONT (2017)
A torre tem duas funções principais: a primeira é de atuar como guia a fim de
restringir os movimentos em um único grau de liberdade e a segunda é ser a
estrutura para sustentação da casa de máquina, na qual é localiza no topo da torre.
19
O sistema de deslizamento é composto por um par de roletes localizados em
cada vértice do flutuador, nas partes superiores e inferiores. Eles têm a função de
dar maior estabilidade ao manter o movimento do corpo flutuante restrito ao interior
da torre e diminuir o atrito com as tubulações.
O flutuador, como captador da energia contida na onda, pode ser
considerado o ponto chave do sistema. A partir de seu movimento provocado pelas
ondas é gerado alguma forma de tipo de trabalho útil (elétrico ou mecânico). O
flutuador se conecta a caixa de máquinas através de um eixo mecânico.
2.4. Máquina de refrigeração
A ideia desse trabalho é projetar uma máquina de refrigeração capaz de gerar
frio para climatizar uma plataforma de trabalho marinho assim como aproveitar o
calor gerado do ciclo termodinâmico para aquecer água, diminuir a demanda
energética na plataforma. A máquina não utilizará energia elétrica de modo que
diminua o número de processos de transformação de energia e suas consequentes
perdas associadas. A Figura 2.13 ilustra a processo de transformação do carvão em
energia elétrica e as eficiências associadas em cada etapa. Portanto quanto mais
direto for o trabalho útil utilizado, mais provável que seja mais eficiente.
FIGURA 2–13 EFICIÊNCIA DE CADA TRANSFORMAÇÃO
A Figura 2.13 ilustra que uma quantidade X de energia entra na cadeia de
transformação e na primeira etapa de geração de calor existe uma perda de 0,15X.
20
A segunda etapa é o funcionamento de uma turbina com cerca de 30% de eficiência.
A turbina aciona um alternador (com 96% de eficiência) que transmite energia
elétrica para o sistema de transmissão (com 80% de eficiência) e ao transformador
(com 98% de eficiência). Finalmente o motor é acionado (com 85% de eficiência.
Ao final do processo apenas 0,16X (ao multiplicar todas as eficiências) foi
aproveitado como energia útil.
Algumas máquinas de conversão da energia das ondas utilizam o conceito de
transformação direta da energia das ondas em trabalho útil sem eletricidade, entre
elas estão:
• Delbuoy para dessalinização pelo bombeamento de água em alta pressão;
• AquaBuoy, McCabe e Searaser para pressurização de fluido de trabalho;
No capítulo 3, será discutido um mecanismo que consegue mover o compressor
da máquina sem a utilização de energia.
21
3. Máquina de refrigeração
3.1. Cálculo da Potência
3.1.1. Modelo Geométrico:
FIGURA 3–1 MODELO GEOMÉTRICO
FONTE KAHN (2017)
Os dados a seguir foram retirados do trabalho de conclusão de curso do
Kahn, (2017), no qual foram analisadas variações na geometria do modelo com
diferentes tamanhos de lados, com ou sem chanfros para calcular a potência
absorvida pelo flutuador.
A geometria foi desenvolvida para direcionar a água das ondas incidentes
para a base do flutuador de maneira a concentrar o fluxo em um ponto,
potencializando o deslocamento vertical de subida. Os chanfros e as abas possuem
a função de aumentar a área de captura de onda.
3.1.2. Ondas Regulares:
Segundo Kahn, o modelo do flutuador que apresentou o melhor desemoinho
hidrodinâmico no sítio estudado tinha 8 metros de lado e os lados da pirâmide
possuíam 45 graus de inclinação.
Os resultados para ondas regulares mostram que, para o período de ondas
de 4,083 s, o valor obtido de potência do conjunto foi de 428 kW.
22
3.1.3. Ondas Irregulares:
Para um modelo real das ondas, é necessário calcular a potência para o mar
com ondas irregulares. Para tais condições, os resultados mostraram um valor de
potência igual 38 kW.
3.2. Conexão flutuador e casa de máquinas
Besso (2017) apresentou um desenho esquemático para a conexão entre o
flutuador e casa de máquinas como pode ser visualizado na Figura 3.2. O eixo entra
na casa de máquina e pode ser utilizado para pressurizar um circuito hidráulico,
mover um esquema de engrenagens ou ser o eixo de um gerador linear produzindo
corrente elétrica por uma bobina.
FIGURA 3–2 ESQUEMA PISTÃO E CASA DE MÁQUINAS
FONTE BESSO (2017)
23
3.3. Sistema Hidráulico
As ondas aplicam grandes forças em velocidades baixas de deslocamento e
os sistemas hidráulicos conseguem absorver grande parte da energia nessa
situação. O uso de um sistema hidráulico operando a 400 bar é uma nítida vantagem
para o sistema conversor de onda visto que ele pode trabalhar suportando grande
forças.
A Figura 3.3 corresponde a uma proposição de circuito hidráulico a ser
montado para a conversão das energias da onda. O movimento da boia força um
eixo para cima para baixo que é usado como um atuador no sistema, levando o
fluido para as válvulas, que impedem o retorno do fluido e depois para uma turbina.
A turbina pode ter uma velocidade constante ao se colocar reservatórios
independente da variação de fluxo.
FIGURA 3–3 CIRCUITO PARA SIMULAÇÃO
FONTE NETO (2017)
Quando a crista da onda passa pelo sistema, o flutuador se move para cima,
e força o pistão hidráulico a se mover conjuntamente, empurrando fluido em alta
24
pressão pelo circuito hidráulico. Quando o vale da onda passa e o pistão desce, a
pressão negativa garante a abertura da válvula de retenção e faz com que a parte
superior da câmara seja completada com óleo, preparando o sistema para um novo
bombeamento na subida.
Para ter uma estimativa de potência que o circuito pode oferecer, Neto.
(2016) realizou uma simulação com o software FluidSim (Figura 3.3). Usando uma
força máxima nominal de 475 kN por ciclo, a uma média de 150 kN, gerando picos
de potência de 175 kW para um sistema hidráulico. Foram feitas estimativas de
potência gerada pelo motor hidráulico. Os resultados mostraram uma eficiência de
42% em relação a potência total que é movimentado o pistão, gerando em média
26 kW de potência a uma rotação de 1500 RPM. Todos os componentes podem ser
comprados ou fabricados para montagem desse subsistema com certa facilidade.
3.4. Interface circuito hidráulico e compressor
O compressor será definido no capítulo 6, porém algumas informações são
essenciais para saber como ele será acionado. A forma mais comum no mercado é
utilizar a turbina hidráulica para acionar um gerador elétrico e acionar o compressor
via eletricidade. Entretanto, esse projeto visa saltar etapas de transformação de
energia e assim ganhar eficiência energética. Para quantificar essa diferença, os
diagramas das Figuras 3.4 e 3.5
25
FIGURA 3–4 DIAGRAMA 1
FIGURA 3–5 DIAGRAMA 2
Ambos os diagramas demonstram todos os processos até o acionamento do
compressor. O diagrama 1 tem menos etapas visto que é o modelo sem o uso da
eletricidade. O diagrama 2 seria as etapas dos métodos convencionais de ativação
do compressor. Para comparar a eficiência final dos dois processos, a tabela abaixo
facilita a visualização.
A diferença de eficiência dos dois processos é cerca de 3%. Essa energia pode
ser melhor aproveitada para acionar uma máquina mais potente por exemplo. Para
conseguir o acionamento, foram utilizados eixos mecânicos com duas engrenagens
e uma manivela para conectar ao compressor que possui movimento alternativo
conforme a Figura 3.6.
26
FIGURA 3-6 INTERFACE TURINA/COMPRESSOR
As engrenagens foram projetas segundo a teoria da resistência à fadiga
superficial. A tensão superficial pode ser calculada através da Equação 3.2:
𝜎ℎ = 𝐶𝑝√𝐹𝑡
𝑏𝑑𝑝𝐼𝐾𝑣𝐾𝑜𝐾𝑚
(3.2)
Onde:
𝜎ℎ é a tensão superficial [Mpa]
𝐶𝑝 é o coeficiente de elasticidade [Mpa1/2]
𝐹𝑡 é a força tangencial [N]
𝑏 é a largura do dente [mm]
𝑑𝑝 é o diâmetro primitivo da engrenagem [mm]
𝐼 é o fator geométrico para engrenamento externo
𝐾𝑣 é o fator dinâmico
27
𝐾𝑜 é o fator de correção de sobrecarga
𝐾𝑚 é o fator de correção de distribuição do carregamento
Considerando as engrenagens de aço 1020, o coeficiente elástico pode ser
encontrado através da Tabela 3.1. Para aço 1020 o valor do coeficiente elástico é
191 Mpa1/2.
TABELA 3.1 COEFICIENTE ELÁSTICO
Coeficiente Elástico [Mpa^1/2]
Stell 191
Mall. Iron 181
Nod. Iron 179
Cast. Iron 174
Al. Bronze 162
Tin. Bronze 158 FONTE AGMA (2017)
A velocidade linear é dada pela Equação 3.3:
𝑉 =
𝜋𝑑𝑝𝑛
60000
(3.3)
𝑛 é a rotação em rpm
Considerando um diâmetro primitivo de 400 mm e sabendo que o eixo
conectado à turbina gira a 1500 rpm,
𝑣 = 𝜋 ∗ 400 ∗ 1500
60000= 31,4
𝑚
𝑠
Escolhendo a fabricação do dente como retificação, o coeficiente dinâmico é
dado pela Equação 3.4:
𝐾𝑣 = √78
78 + √200 + 𝑣
(3.4)
Portanto
𝐾𝑣 = 0,91
28
Sabendo que a potência é dada pela Equação 3.5:
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝐹𝑡𝑣 (3.5)
A potência foi calcula pelo circuito hidráulico igual a 26 kW, então:
𝐹𝑡 = 828 𝑁
O fator geométrico é definido pela equação 3.6:
𝐼 =
𝑐𝑜𝑠∅𝑠𝑖𝑛∅
2
𝑖
𝑖 + 1
(3.6)
Onde i é a razão de transmissão e ∅ é o ângulo de pressão que foi escolhido
como 20o. No capítulo 6, o compressor selecionado funciona a 1300 RPM. A razão
i é igual a
𝑖 =1500
1300= 1,15
O fator geométrico vale:
𝐼 = 0,083
O fator de correção de distribuição do carregamento pode ser encontrado na
tabela 3.2:
TABELA 3-2 COEFICIENTES DE DISTRIBUIÇÃO DO CARREGAMENTO
Tamanho do dente (pol)
Condição de Suporte 0 a 2 6 9 16+
Montagem Acurada 1,3 1,4 1,5 1,8
Montagem Menos Acurada 1,6 1,7 1,8 2,2 Fonte AGMA (2017)
Considerando uma montagem menos rígida, engrenagens menos acuradas
e contato em toda face, atribui-se o valor do fator de correção de distribuição de
carregamento a:
𝐾𝑚 = 1,6
29
O fator de correção de sobrecarga pode ser encontrado na Tabela 3.3 abaixo:
TABELA 3-3 FATOR DE SOBRECARGA
Carga na máquina
Fonte Uniforme Choques Moderados Choques Pesados
Uniforme 1 1,25 1,75
Choques Leves 1,25 1,5 2
Choques Moderados 1,5 1,75 2,25 FONTE AGMA (2017)
Foi selecionado um fator que corresponde a choque leves do eixo da turbina
e movimento uniforme do compressor devido a possíveis mudanças da velocidade
de rotação da turbina. O valor do fator de sobrecarga é igual a:
𝐾𝑜 = 1,25
Finalmente o valor da tensão é de:
𝜎ℎ = 191√828 ∗ 0,91 ∗ 1,25 ∗ 1,6
𝑏 ∗ 400 ∗ 0,083
𝜎ℎ = 191√45,4
𝑏
Para encontrar a largura do dente (b) é necessário utilizar a equação 3.7:
𝐹. 𝑆 =
𝑆ℎ
𝜎ℎ
(3.7)
Onde:
𝐹. 𝑆 é o fator de segurança;
𝑆ℎ é a tensão limite à fadiga superficial corrigida pelo o fator de vida e o fator
de confiabilidade conforme a Equação 3.8
𝑆ℎ = 𝑆𝑓𝑒𝐶𝐿𝐶𝑟 (3.8)
30
𝑆𝑓𝑒 é a tensão limite de resistência à fadiga superficial;
𝐶𝐿 é fator de vida;
𝐶𝑟 é o fator de confiabilidade.
TABELA 3-4 RESISTÊNCIA À FADIGA SUPERFICIAL
Material Sfe (ksi)
Aço 0,4 - 10 ksi
Ferro modular 0,95
Ferro Fundido classe 20 55
classe 30 70
classe 40 80
Estranho-Bronze 30
Aluminio Bronze 64 FONTE AGMA (2017)
Para o aço 1020, Sfe = 0,4 (Bhn) – 10 ksi
𝑆𝑓𝑒 = 0,4 (𝐷𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 𝐻𝐵) − 10 = 0,4 ∗ 330 − 10 = 122 𝑘𝑠𝑖 = 841 𝑀𝑃𝑎
O fator de Confiabilidade é encontrado na Tabela 3.5.
TABELA 3-5 FATOR DE CONFIABILIDADE
Confiabilidade (%) Cr
50 1,25
99 1
99,9 0,8 FONTE AGMA (2017)
Escola uma confiabilidade de 99% visto que valores acimas podem possuir
um custo muito elevado de fabricação, portanto o valor do fator de confiabilidade é:
𝐶𝑟 = 1,00
O fator de vida pode ser selecionado através do gráfico abaixo (Figura 3.7).
Escolhendo uma duração de 109 ciclos o fator de vida é igual a:
31
FIGURA 3–7 GRÁFICO DO FATOR DE VIDA
FONTE AGMA (2017)
𝐶𝑙 = 0,8
Portanto a tensão limite à fadiga superficial corrigida pelo fator de vida e pelo
fator e confiabilidade é:
𝑆ℎ = 841 ∗ 0,8 ∗ 1 = 672,8 𝑀𝑃𝑎
Definido o fator de segurança igual a 4,
4 =672,8
191√45,4𝑏
𝑏 = 58,6 𝑚𝑚
A condição de máxima espessura é dada pela Equação 3.9:
𝑏 <
14
𝑃
(3.9)
32
Onde P é o passo e b (largura do dente) foi obtido usando as Equações 3.2
e 3.7.
𝑃 = 0,239 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
𝑚𝑚
Sabendo que o módulo é o inverso do passo,
𝑚 = 4,18 𝑚𝑚
E o número de dentes é a razão do diâmetro primitivo sobre o módulo:
𝑍 =
𝑑𝑝
𝑚= 96 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
(3.10)
Chegando ao valor de 96 dentes da primeira engrenagem, a segunda precisa
ter 83 dentes para chegar no valor de redução necessário.
3.5. Refrigerantes
Esta sessão irá discutir e selecionar o fluido refrigerante a ser usado na máquina
de refrigeração. Para este projeto, que visa usar uma energia alternativa limpa, o
refrigerante deve causar o mínimo impacto ambiental possível.
Muitas inovações nas áreas estão acontecendo, porém muitas delas envolvem
ciclos de refrigeração mais complexos e uso de mais de um compressor. Portanto,
como a máquina só terá capacidade para um compressor, esses refrigerantes foram
excluídos da escolha. Foram selecionados três tipos de refrigerantes baseados em
pesquisa de catálogos de fornecedores.
3.5.1. Compostos Halocarbônicos
Os grupos halocarbônicos incluem refrigerantes que contêm um ou mais dos
seguintes halogênios: cloro, flúor e bromo. As designações numéricas, os nomes
33
químicos e as fórmulas químicas de alguns dos membros deste grupo estão na
Tabela 3.6.
O sistema de enumeração no grupo halocarbônico segue o seguinte padrão: o
primeiro dígito da direita é o número de átomos de flúor no composto; o segundo
dígito da direita para a esquerda é o número de átomos de hidrogênio adicionado
de um; o terceiro dígito da direita para a esquerda é o número de átomos de carbono
subtraídos de um e quando ele é zero, é omitido.
TABELA 3-6 COMPOSTOS HALOCARBÔNICOS
designação
numérica Número- Químico
Fórmula
Química
11 tricloromonofluormetano CC3F
12 Diclorodifluormetano CCl2F2
13 Monoclorotrifluormetano CClF3
22 Monoclorodifluormetano CHClF2
40 Cloreto de Metila CH3Cl
113 Triclorotrifluoretano CCl2FCCLF2
114 Diclorotetrafluoretano CClF2CClF2
FONTE JONES & STOECKER (1999)
3.5.2. Compostos Inorgânicos
Muitos dos primeiros refrigerantes eram compostos inorgânicos e alguns deles
mantiveram sua proeminência até hoje. Estes compostos estão ilustrados na Tabela
3.7
34
TABELA 3-7 COMPOSTOS INORGÂNICOS
designação
numérica Número- Químico
Fórmula
Química
717 Amônia NH3
718 Água H2O
729 Ar
744 Dióxido de Carbono CO2
764 Dióxido de Enxofre SO2
FONTE JONES & STOECKER (1999)
3.5.3. Hidrocarbonetos
Muitos hidrocarbonetos são adequados como refrigerantes especialmente para
operar em indústrias do petróleo. Muitos desses refrigerantes estão listados na
Tabela 3.8
TABELA 3-8 HIDROCARBONETOS
designação
numérica Número- Químico
Fórmula
Química
50 Metano CH4
170 Etano C2H6
290 Propano C3H8
FONTE JONES & STOECKER (1999)
3.5.4. Azentropos
Uma mistura azentrópica de duas substâncias é aquela que não pode ser
separada em seus componentes por destilação. Um azeotropo evapora e condensa
como uma substância simples com propriedades diferentes das de cada um de seus
constituintes. O azeotropo mais popular é o refrigerante 502, que é uma mistura de
48,8% de refrigerante 22 e 51,2% de refrigerante 115.
35
3.5.5. Fator de Aquecimento Global
A degradação da camada de ozônio, bem como o efeito estufa, devido a elevada
emissão de fluidos refrigerantes na atmosfera, tem liderado as drásticas mudanças
na tecnologia de refrigeração e climatização desde o início dos anos 1990. Isso é
especialmente verdade para a área de refrigeração comercial e plantas de A/C com
seu vasto alcance de aplicação.
Por outro lado, o maior contribuinte para o aquecimento global de uma planta de
refrigeração é a emissão indireta de dióxido de carbono causado pela geração de
energia. A média de emissão de CO2 na Europa é por volta de 0.6 kg por kWh de
energia elétrica gerada (Miranda, 2012), baseada nas altas porcentagens de
combustíveis fósseis utilizadas nas usinas europeias causando, assim,
consequências ao efeito estufa ao longo da vida das usinas.
Grandes esforços estão sendo tomados em escala mundial para reduzir as
emissões que acarretam no efeito estufa, e regulamentações legais já foram
desenvolvidas. Desde 2007, a ‘‘Regulamentação em certos gases que causam
efeito estufa fluoretados’’ (NO. 842/2006) – que define também exigências rigorosas
para sistemas de refrigeração e ar-condicionado – tornou-se válido para União
Europeia. A regulamentação está sobre revisão.
3.5.6. Camada de ozônio
A camada de ozônio ou ozonosfera é uma camada de gás que envolve a Terra
na estratosfera. O ozônio é uma variedade alotrópica do oxigênio, porém formado
por três átomos. O ozônio troposférico contribui para o aquecimento global enquanto
o estratosférico tem função de proteger a Terra ao filtrar raios ultravioletas tipo B
(UV-B) originais da radiação solar.
Na parte mais alta da estratosfera, o oxigênio diatômico (O2) reage com a
radiação ultravioleta tipo c (UV-C) tendo como produto 2 átomos de oxigênio (O)
que se unem com sua forma diatômica encontrada mais abaixo na mesma camada,
formando o ozônio (O3). O ozônio reage com a radiação UV-B desassociando em 1
36
átomo de oxigênio e 1 oxigênio diatômico resultando num ciclo de controle natural
e equilibrado de produção de ozônio. A figura 3.8 ilustra esse ciclo.
FIGURA 3-8 CICLO DE CHAPMAN
FONTE HARVEY (1999)
Quando CFC’s e HCFC’s chegam na estratosfera sofrem fotólise com a ação da
radiação UV e liberam radicais livres, átomos de cloro (Cl), que reagem com o
ozônio, desassociando-o e produzindo uma molécula de oxigênio diatômico e uma
de oxido de cloro (ClO). Um radical livre de cloro tem potencial para destruir 100 mil
moléculas de ozônio e desbalancear o ciclo natural de ozônio causando o chamado
buraco na camada de ozônio.
3.6. Escolha do Fluido
A seleção do fluido será dada por dois fatores: destruição da camada de ozônio
e o potencial de aquecimento global. Para fins comparativos, foi montada a tabela
3.9 que coloca em valores os dois fatores. Os fluidos são: R-134A, R-410A, R-407C
e R-22.
37
TABELA 3-9 ESCOLHA DO REFRIGERANTE
Refrigerante R-134A R-410A R-407C R-22
Destruição da Camada
de Ozônio (ODP) 0 0 0 0,05
Potencial de
Aquecimento Global
(GWP)
1300 1725 1525 1810
O índice o ODP se remete ao potencial de destruição da camada de ozônio em
comparação ao fluido R-11. O valor de 0,05 representa 5% e comparação ao R-11.
Já o GWP é um valor comparativo referente ao CO2. Foi atribuído o valor de 1 para
o CO2, e os outros fluidos possuem um índice que é múltiplo do índice do CO2.
Em relação a destruição da camada de ozônio os refrigerantes R-134A, R-410A
e R-407C não são atuantes, ao contrário do R-22. Já em relação ao potencial de
aquecimento global, o R-134A é o fluido com menor índice. Portanto, o fluido
escolhido foi o R-134A.
38
3.7. Ciclos de Refrigeração
Nesta seção serão analisados dois diferentes ciclos de refrigeração para o R-
134A com o auxílio do programa CoolPack versão 1.50. O ciclo será composto por
apenas um compressor, visto que, devido ao projeto realizado, o compressor será
conectado ao um gerado por um eixo mecânico.
Utilizado um coeficiente de eficiência (COP) de 2 para que o projeto tenha uma
margem de segurança. Portanto, o calor retirado será da ordem de 60 kW.
O refrigerante R-134A, possui a seguinte curva pressão versus entropia (pxh)
como mostrado na Figura 3.9:
FIGURA 3-9 DIAGRAMA PXH
FONTE NIST CHEMISTRY WEBBOOK (2017)
39
3.8. Ciclo 1
FIGURA 3–10 CICLO 1
FONTE - SOFTWARE COOPACK
Segundo a Figura 3-11, o R134A, no ponto 1, está superaquecido de 5 K. O
refrigerante é comprimido (ponto 2) até 66,6 °C, seguindo para o ponto 3 com a
mesma temperatura e com uma pequena redução de pressão devido às perdas de
cargas da tubulação. O refrigerante é condensado e sub resfriado de 2 K até a
temperatura de 43 °C nos pontos 4 e 5. O refrigerante irá passar por uma válvula
de expansão e chegar no ponto 6 com uma temperatura de -5°C. Finalmente o
refrigerante irá passar pelo evaporador até chegar no ponto 7 e depois será
superaquecido de 5 K para retomar ao ponto 1.
A Tabela 3.10 mostra os valores de cada ponto e o estado de cada ponto
enquanto a Figura.3.11 mostra os pontos no diagrama P x h.
40
TABELA 3-10 PONTOS DO CICLO
Temperatura
(°C)
P
(kPa) h (kJ/kg)
1 1 238,9 249
2 70 1175,1 297,4
3 70 1160 2977
4 43 1160 109,6
5 43 1160 109,6
6 -5 243,4 109,6
7 0 243,4 248,1
8 1 238,2 249,2
FIGURA 3-11 DIAGRAMA CICLO 1
FONTE: SOFTWARE COOPACK
Como sabe-se a potência e os pontos, pode-se calcular a quantidade de
calor trocada. É necessário, primeiramente, calcular a vazão mássica do sistema.
41
Para isso, será usada a potência do compressor já estipulada anteriormente de 26
kW. Sabendo que, pela primeira lei Termodinâmica e usando a teoria de uma
compressão isentrópica adiabática, tem-se a equação 3.11:
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑟𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 = ��(ℎ2 − ℎ1) (3.11)
�� = 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑒𝑠𝑜𝑟
ℎ2 − ℎ1
�� =26
297,4 − 249
�� = 0,537 kg/s
Assim, tem-se que a vazão mássica do sistema é de 0,537 kg/s. Para calcular
a carga térmica no evaporador, pela primeira lei da Termodinâmica e considerando
uma troca sem trabalho, tem-se a equação 3.12:
𝑄𝐿 = ��(ℎ7 − ℎ6) (3.12)
𝑄𝐿 = 0,537(248,1 − 109,6)
𝑄𝐿 = 74,37 𝑘𝑊
Portanto, agora se pode calcular o COP do sistema através da equação 3.13:
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄𝐿
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑟𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟
(3.13)
𝐶𝑂𝑃 = 74,96
26
𝐶𝑂𝑃 = 2,86
42
3.9. Ciclo 2
FIGURA 3-12 CICLO 2
FONTE: SOFTWARE COOPACK
Conforme a Figura 3.12, o R134A, no ponto 1, está superaquecido de 1 K. O
refrigerante é comprimido (ponto 2) até 72,6 °C, seguindo para o ponto 3 com a
mesma temperatura e com uma pequena redução de pressão devido às perdas de
cargas da tubulação. O refrigerante é condensado e sub resfriado de 2 K até a
temperatura de 44 °C nos pontos 4. O refrigerante irá passar por uma válvula de
expansão e chegar no ponto 5 com uma temperatura de -10C. Há uma separação
agora em um recipiente aonde o líquido desce sob efeito da gravida e o gás sobe e
para linha de sucção do compressor. O liquido vai para o evaporador e depois volta
par o recipiente separador de gás líquido.
A tabela 3.11 mostra os valores de cada ponto e o diagrama P x h (Figura
3.13) mostra o estado de cada ponto.
43
TABELA 3-11 PONTOS DO CICLO 2
Temperatura
(°C)
P
(kPa)
h
(kJ/kg)
1 6 343,8 241,8
2 76,4 1175,1 304,4
3 76,4 1160 304,4
4 44 1160 111,1
5 5 349,8 111,1
6 5 349,8 55,8
7 5 349,8 210,7
8 5 349,8 249,4
FIGURA 3-13 DIAGRAMA CICLO 2
FONTE: SOFTWARE COOPACK
De modo análogo ao ciclo 1, pode-se calcular a vazão mássica, a carga
térmica no evaporador e COP do ciclo pelas equações 3.11, 3.12.
44
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑟𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 = ��(ℎ2 − ℎ1)
�� = 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑒𝑠𝑜𝑟
ℎ2 − ℎ1
�� =26
304,4 − 241,8
�� = 0,415 kg/s
𝑄𝐿 = ��(ℎ8 − ℎ6)
𝑄𝐿 = 0,415(249,4 − 55,8)
𝑄𝐿 = 80,3 𝑘𝑊
Portanto, agora se pode calcular o COP do sistema (Equação 3.13):
𝐶𝑂𝑃 = 𝑄𝐿
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑟𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟
𝐶𝑂𝑃 = 80,3
26
𝐶𝑂𝑃 = 3,09
3.10. Escolha do Ciclo
O ciclo escolhido foi o segundo por apresentar o COP maior.
45
3.11. Seleção de Equipamentos
3.11.1. Evaporadores
No ciclo escolhido, há um evaporador no circuito do R134a e para escolher
o equipamento, será consultado os catálogos comercias da empresa Mipal, Destes
catálogos, foi retirado a Tabela 3.12 abaixo que ajudará a selecionar o modelo do
evaporador mais adequado.
Nota-se que essa tabela é válida para diferença de temperatura de 6 K. Esta
temperatura, normalmente, é a diferença entre o ar que entra no evaporador e a
temperatura de evaporação do refrigerante, porém, neste caso, será utilizado o
método da diferença média logarítmica (LMTD) (Figura 3.14), que é uma média
logarítmica das diferenças de temperatura que as correntes quente e fria estão em
cada extremidade do trocador de calor.
FONTE MIPAL (2017)
TABELA 3.12 CATÁLOGO DE EVAPORADOR
46
FIGURA3-14– DIFERENÇA LOGARÍTMICA
FONTE FESM
Para o cálculo da diferença média logarítmica (LMTD), será estipulado que a
temperatura de entrada e de saída no evaporador serão, respectivamente, 20 e 11
°C e que as temperaturas do R134a no evaporador são iguais a 5 °C. A fórmula
para encontrar a LMTD é dada pela equação 3.14:
𝐿𝑀𝑇𝐷 =
𝐷𝑇1 − 𝐷𝑇2
ln (𝐷𝑇1𝐷𝑇2)
(3.14)
Sendo:
𝐷𝑇1 = 15
𝐷𝑇2 = 6
𝐿𝑀𝑇𝐷 = 7,89
O resultado é ligeiramente superior ao recomendado no catálogo. Neste
caso, será escolhido um evaporador com capacidade um pouco maior que a carga
térmica para compensar a pequena diferença de temperatura.
47
A temperatura de evaporação do R134a no evaporador é de 5 °C e a carga
exigida é de 80,3 kW. Para este projeto serão necessários 3 evaporadores Hd265
no qual cada um tem capacidade de 31,052 kW.
3.12. Válvulas de Expansão
Para a seleção da válvula de expansão será utilizado a Tabela 3.13 do Guia
de Seleção de Válvulas Reguladoras da fabricante Value. A seguir, segue a tabela
do fabricante:
TABELA 3-13 VÁLVULAS
FONTE CATÁLOGO VALUE (2014)
Como a capacidade frigorífera é de 80,6 kW o que equivale a 22,91 TR e a
temperatura de evaporação é 5 °C, a válvula escolhida foi a CRO-4 com ajuste de
40.
48
3.13. Trocadores de Calor
Os dados dessa sessão se referem a estudo de caso de aquecimento de água
que será explicado no capítulo 7.
Para a escolha do trocador de calor, foi utilizado um software gratuito de seleção
do fornecedor SWEP. Na figura 3.15, os dados de entrada do software estão
explícitos
FIGURA 3.15 TELA DE IMPUT NO SOFTWARE SWEP
O software retornou o trocador de calor ilustrado na Figura 3.16:
49
FIGURA 3-16 TROCADOR DE CALOR
FONTE SIMULAÇÃO NO SOFTWARE SWEP
3.14. Compressor
Para selecionar o compressor, será utilizado o software da Bitzer. Neste
software, serão dados os seguintes dados: o refrigerante, a capacidade frigorífera,
a temperatura de evaporação, a temperatura de condensação, o sub resfriamento
do líquido, o superaquecimento do gás, a frequência de alimentação e a tensão de
alimentação.
Para o projeto, será escolhido um compressor do tipo semi-hemético
alternativo. A Bitzer oferece em torno de 60 modelos diferentes de compressor semi-
herméticos alternativos para R134a. O modelo selecionado para o compressor com
capacidade frigorífera de 75,2 kW e consumindo 20,4 kW foi o 6GE-34Y-40P. Na
Figura 3.17 é possível ver alguns dados fornecidos como potência consumida, faixa
de tensão. O gráfico mostra as limitações de uso dependendo das temperaturas de
evaporação e condensação.
50
FIGURA 3-17 COMPRESSOR
FONTE SOFTWARE BITZER
51
4. Estudo de caso
4.1. Climatização
Nesta seção será feito um estudo de caso de refrigeração para camarotes
numa plataforma offshore localizada no Ceará, visto que trabalhos anteriores para
o modelo PPE/Coppe escolheram a mesma localidade. Será estimada a carga
térmica do local assim como será produzida uma carta psicométrica para
visualização das temperaturas e umidade respectiva para cada ponto.
A plataforma, ilustrada pelas figuras 4.1, 4.2 e 4.3, foi dividida da seguinte
maneira:
Módulo” B” – 1° Deck – A= 214,5 m² – 10 camarotes
Módulo” B” – 2° Deck – A= 214,5 m² – 10 camarotes
Módulo “B” – 3° Deck – A= 214,5 m² – 10 camarotes
Módulo “A” – 1° Deck – A= 195 m² – 4 camarotes
Módulo “A” – 2° Deck – A= 195 m² – 7 camarotes
Módulo “A” – 3° Deck – A= 195 m² – 7 camarotes
52
FIGURA 4–1 - VISTA FRONTAL
FONTE MIRANDA (2007)
53
FIGURA 4–2 VISTA LATERAL
FONTE MIRANDA (2007)
FIGURA 4–3 VISTA LATERAL
FONTE MIRANDA (2007)
54
Para se calcular a carga térmica serão precisos alguns dados sobre o
escritório, todos estes dados foram escolhidos de forma a serem coerentes segundo
a norma para escritório de média densidade situado no estado do Ceará.
De acordo com a norma ABNT NBR 16401-1 em apenas 2% do total de horas
no ano as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido ultrapassam os valores de
32,2 °C e 26,7 °C respectivamente, logo estas serão as temperaturas utilizadas para
definirmos o estado do ar exterior ao escritório.
Utilizando uma ferramenta contida no software ASHRAE Thermal Confort
Tool (2013) foi achado um estado para o ar no supermercado onde seria confortável
para uma média aceitável de pessoas, este estado é de 23 °C de temperatura de
bulbo seco e 50% de umidade relativa.
4.1.1. Cálculo da carga térmica
4.1.1.1. Transmissão de calor
Para facilitar os cálculos, foi considerado um camarote quadrado com 21,5
m² com altura de 2,6 m.
As paredes e o teto foram definidos segundo a configuração da Figura 4.4,
retirada do catálogo do Inmetro de propriedades térmicas de paredes, coberturas e
vidro. A parede foi definida com uma transmissibilidade de 2,66 W/m²K e as
seguintes especificações:
55
FIGURA 4–4 TRANSMISSIBILIDADE DA PAREDE
FONTE INMETRO (2013)
O teto foi definido foi definido com uma transmissibilidade de 1,75 W/m²K e
com as especificações constantes na Figura 4.5:
FIGURA 4–5 TRANSMISSIBILIDADE DO TETO
FONTE INMETRO (2013)
56
A transmissão de calor será resolvida pela equação 4.1:
��1 = 𝐴. 𝑈. 𝛥𝑇 (4.1)
onde A é a área das paredes ou do teto, U é a transmitância térmica das paredes
ou do teto em e ∆T e a diferença de temperatura entre o ambiente dentro do
escritório o exterior. Sabendo que ΔT é igual a 9,2 °C tem-se a equação 4.2:
��1 = 4. 𝐿. 𝐻. 𝑈𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒 . 𝛥𝑇 + 𝐿. 𝐶. 𝑈𝑡𝑒𝑡𝑜. 𝛥𝑇 (4.2)
��1 = 1528 𝑊
4.1.1.2. Ocupação A ocupação máxima para camarote é de 4 pessoas e segundo a norma ABNT
NBR 16401-3 (2008) uma pessoa liberará 130 W, sendo destes 70 W de calor
sensível e 60 W de calor latente. Calculando o calor sensível e latente
separadamente, tem-se:
��2𝑠 = 280 𝑊
��2𝐿 = 240 𝑊
4.1.1.3. Infiltração A norma NBR 16401 (2008) dita algumas vazões para certos casos de
infiltrações. Considerando uma janela comum e uma porta bem ajustada, o valor da
vazão de infiltração foi de 25,5 m³/h. A carga térmica será calculada a partir das
equações 7.3 e 7.4 divididas na parte sensível e a latente:
��3𝑠 = ��. 𝜌. 𝑐. 𝛥𝑇 (4.3)
��3𝐿 = ��. 𝜌. 𝐿. 𝛥𝑤 (4.4)
57
onde, ��3𝑠 é a parte sensível da carga térmica de infiltração e ��3𝐿 é a parte latente,
�� é o fluxo volumétrico, ρ é a densidade do ar, c é o calor específico, ∆T é a diferença
de temperatura, L é o calor latente e ∆w é a diferença da umidade absoluta. Sabe-
se que o fluxo volumétrico será 0,1 m3/s, o calor específico do ar será considerado
1000 J/kg °C, o calor latente da água é de 2454 kJ/kg e a diferença de temperatura
é 9,2 °C e a densidade do ar é 1,2 kg/m3. Para achar o resto dos dados utilizaremos
o software gratuito da Carrier que oferece acesso aos dados da carta psicrométrica,
com isso sabe-se sua umidade absoluta no estado que se encontra no exterior do
camarote será 20 g/kg. Enquanto no estado psicrométrico no interior do escritório
sua umidade absoluta será 8,8 g/kg. Assim temos todos os dados para calcular os
ganhos de calor por infiltração que serão:
��3𝑠 = 78 𝑊
��3𝐿 = 233 𝑊
4.1.1.4. Iluminação Ainda seguindo a norma ABNT NBR 16401-1 (2008) a dissipação de calor
pela iluminação em um escritório com lâmpadas fluorescentes será 16 W/m2.
Portando o total será de:
��4𝑠 = 630 𝑊
4.1.1.5. Equipamentos
Conforme a norma ABNT NBR 16401-1 (2008) para um escritório de leve
densidade, os equipamentos de um escritório de média densidade emitem 5,4 W/m²
de calor. Portanto:
��5𝑠 = 26,4 𝑊
58
4.1.2. RSHF
Até agora já foi definido o estado do ar externo e do ar interno, nesta sessão
será definido o estado psicrométrico do ar depois de passar pelo sistema de
condicionamento de ar. A partir de agora será dado o nome para o ar externo de
OA (outside air), o ar no interior do supermercado de RA (room air) e o ar após o
sistema de condicionamento de SA (supply air). O SA é o estado que o ar precisa
estar para suportar as cargas térmicas do regime de alta deixando o RA no estado
que foi predeterminado como o estado de conforto. Para definir o estado de SA
usaremos o conceito de RSHF, ou Fator de Calor Sensível Local, e o software da
Carrier chamado CARRIER HDPsyChart (2011), que permite usar a carta
psicrométrica com mais precisão. O RSHF nada mais é do que a razão da carga
térmica sensível sobre a carga térmica total conforme a equação 4.5. Na Tabela 4.1
todas as cargas somadas.
TABELA 4-1 - CARGAS TÉRMICAS (W)
sensível latente Total
Transmissão
de calor 1527 0 1527
Ocupação 280 240 520
Iluminação 630 0 630
Equipamentos 26,4 0 26,4
Infiltração 78 234 312
Total 2542 474 3016
𝑅𝑆𝐻𝐹 =
𝑆𝑒𝑛𝑠í𝑣𝑒𝑙
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙= 0,843
(4.5)
4.1.3. Cálculo de Vazão de Ar externo
De acordo com a norma NBR 16401-3 o cálculo da vazão do ar externo, ou
seja, o ��𝑜𝑎 , será calculado pela soma de dois termos. O primeiro relacionado à
quantidade de pessoas presente no ambiente e o segundo relacionado à área do
59
ambiente. A Tabela 4.2 retirada da norma dará os dados para resolver as equações
4.6 e 4.7:
𝑉𝑒𝑓 = 𝑃𝑧 . 𝐹𝑝 + 𝐴𝑧. 𝐹𝑎 (4.6)
𝑣𝑜𝑎 = 𝑉𝑒𝑓/𝐸𝑧 (4.7)
TABELA 4-2 NÍVEIS DE VAZÃO DE AR
FONTE ABNT 16401 (2008)
O nível 1 representa o nível mínimo de vazão de ar exterior e o nível 3
representa a vazão para ventilação que segundo estudos existem evidências de
redução de reclamações e manifestações alérgicas.
60
TABELA 4-3 CONFIGURAÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO DE AR
FONTE ABNT 16401 (2008)
Considerando o nível 3 e uma insuflação de ar frio pelo forro igual a 1 de um
dormitório coletivo para 4 pessoas e 21,4 m², encontra-se o valor de vazão de ar
externo igual a 0,0259 m³/s. Sabendo a densidade do ar exterior, a vazão mássica
de ar externo é:
Usando a densidade do ar externo
��𝑜𝑎 = 0,029𝑘𝑔
𝑠
Com os dados já calculados, foi utilizada uma tabela em Excel para calcular
todos os pontos na carta psicométrica. Os pontos estão na tabela 4.4
61
TABELA 4-4 PONTOS DO CONDICIONAMENTO DE AR
M ponto
(kg/s) T (°C) h (kJ/kg)
RA 0,171 23 45,453
O A 0,043 32,2 83,649
MA 0,214 24,7 52,56
S A 0,214 11,2 30,89
Esses pontos representam o estado do ar em cada etapa do
condicionamento, ilustrado na figura 4.6 abaixo.
FIGURA 4–6 - CONDICIONAMENTO DE AR – FONTE RAMOS (2014)
Colocando os pontos na carta psicrométrica (Figura 4.7) no qual é possível
ver o estado de cada ponto e tirar outras informações termodinâmicas úteis.
62
FIGURA 4–7 – CARTA PSICROMÉTRICA
63
Para calcular a potência frigorífera necessária, é necessário usar os pontos antes e
depois pelo condicionamento. Assim a carga total será, segundo a equação 4.8:
�� = ��(ℎ𝑚𝑎 − ℎ𝑠𝑎) (4.8)
�� = 4,20 𝑘𝑊
Portanto para chegar ao total da plataforma, apenas multiplica-se a potência
frigorífera de 1 camarote por 48.
��𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 201,6 𝑘𝑊
Com a capacidade frigorífera do compressor selecionado no capítulo 3, para
refrigerar completamente os camarotes seriam necessários 3 flutuadores.
4.2. Aquecimento de água
Outa possibilidade de uso da máquina é usar o fluido quente que sai do
compressor para aquecer água. Em plataformas a água do chuveiro normalmente
é aquecida por chuveiros elétricos que utilizam geradores a diesel. Portanto, essa
utilidade da máquina pode diminuir o uso de combustíveis fosseis na plataforma.
Fazendo uma suposição que um banho consuma 9 litros por minuto, o total
necessário de água por dia para toda a plataforma seria de 17280 litros,
considerando que 192 pessoas estão presentes. Outra suposição é que a água está
a 23 oC e que será aquecida até 37 oC.
Portanto, com esses dados foi montada a Tabela 4.5 abaixo:
64
TABELA 4-5 PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS
R 134A Água
temperatura de entrada
(ºC) 76,4 23
Temperatura de saída (ºC) 44 37
T médio 60,2 30
T médio (K) 333,2 303
cp (kJ/kgK) 1,627 4,179
k (W/mK) 1,292 613000
µ (Ns/m²) 67500 855000000
Pr 3,1 5,83
A taxa de transferência de calor pode ser obtida em um balaço de energia
global do fluido quente através da equação 4.9:
𝑞 = ��𝑐𝑝𝛥𝑇 (4.9)
No capítulo 3 foi calcula a taxa de transferência de calor necessário para
transformar o fluido refrigerante de gasoso para liquido. Esse valor é igual a:
𝑄ℎ = 106,3 𝑘𝑊
Portanto:
114090 = �� ∗ 4179 ∗ 14
�� = 1,81 𝑘𝑔/𝑠
Agora é necessário projetar um trocador de calor que seja possível construir.
Para tal, foram definidos os diâmetros internos e externos dos tubos.
𝐷𝑖 = 25 𝑚𝑚
𝐷𝑒 = 45 𝑚𝑚
65
Falta calcular o comprimento do trocador de calor que pode ser calculado
através da seguinte equação 4.10:
𝑞 = 𝑈𝐴𝛥𝑇𝑙𝑚𝑡 (4.10)
No qual:
𝑞 é o calor [W]
𝑈 é o coeficiente global de transferência de calor [ 𝑊 𝑚⁄ 2𝐾 ]
A é a área
𝛥𝑇𝑙𝑚𝑡 é a diferença média logarítmica
Onde a equação 4.11 demostra o valor da área e 4.2 da diferença logarítmica:
𝐴 = 𝜋𝐷𝑖𝐿 (4.11)
∆𝑇𝑙𝑚𝑡 =
(𝑇𝑞 𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑓 𝑠𝑎𝑖) − (𝑇𝑞𝑠𝑎𝑖 − 𝑇𝑓 𝑒𝑛𝑡)
ln (𝑇𝑞 𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑓 𝑠𝑎𝑖
𝑇𝑞𝑠𝑎𝑖 − 𝑇𝑓𝑒𝑛𝑡)
(4.12)
∆𝑇𝑙𝑚𝑡 = 27,45 ℃
O coeficiente global de transferência de calor é pela equação 4.13:
𝑈 =
1
1ℎ𝑖
+1ℎ𝑒
(4.13)
Para escoamento de água através do tubo a equação 4.14 calcula o número
de Reynolds,
𝑅𝑒𝑑 =
4𝑚𝑓
𝜋𝐷𝑖𝜇= 107816
(4.16)
Onde:
66
𝑅𝑒𝑑: Número de Reynolds
𝑚𝑓: vazão mássica do fluido frio [kg/s]
𝜇: viscosidade dinâmica [Ns/m²]
Consequentemente, o escoamento é turbulento e o coeficiente de calor pode
ser calculado através da equação 4.15:
𝑁𝑢𝑑 = 0,023𝑅𝑒𝑑3/4𝑃𝑟0,4 = 555 (4.15)
𝑁𝑢𝑑 é número de Nusselts
Pr é o número de Prandle
No qual o coeficiente de transmissão de calor é dado pela equação 4.16:
ℎ𝑖 = 𝑁𝑢𝑑.
𝑘
𝐷𝑖= 14985 𝑊/𝑚²𝐾
(4.16)
Para o escoamento do refrigerante através da região anular, o diâmetro
hidráulico é Dh = 0,02 e o número de Reynolds é (Equação 4.17):
𝑅𝑒𝑑 =
𝜌𝑢𝑚𝐷ℎ
𝜇= 𝜌
(𝐷𝑒 − 𝐷𝑖)
𝜇𝑥
𝑚𝑞
𝜌𝜋(𝐷𝑒2 − 𝐷𝑖
2)/4
(4.17)
𝑅𝑒𝑑 =4𝑚𝑞
𝜋(𝐷𝑒 − 𝐷𝑖)𝜇= 5,84
O escoamento na região anular é, portanto, laminar. Supondo a temperatura
uniforme ao longo da superfície interna da região anular e a superfície externa
perfeitamente isolada, o coeficiente de transferência de calor na superfície interna
pode ser obtido pela tabela 8.2 do livro Incropera cuja equação 7.19 está abaixo.
67
𝑁𝑢𝑡 =
ℎ𝑒𝐷ℎ
𝑘= 5,63
(4.19)
ℎ𝑒 = 19001250 𝑊/𝑚²𝐾
O coeficiente global de transferência de calor por convecção é, portanto:
𝑈 = 1
114958 +
119001250
= 14946 𝑊/𝑚²𝐾
E a partir da equação para a taxa de transferência de calor, tem-se que:
𝐿 = 𝑞
𝑈𝜋𝐷𝑖∆𝑇𝑙𝑚𝑡= 3,35 𝑚
Portando, o trocador tem um comprimento aceitável para caber dentro da casa
de máquinas. Agora, sabendo a vazão mássica é necessário calcular o tempo
para aquecer todos os 17280 L de água através da equação 4.20.
𝑉 = ��𝑡 (4.20)
Onde:
𝑉 é o volume
𝑡 é o tempo
𝑡 = 17280
1,81= 9547 𝑠 = 2 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑒 39 𝑚𝑖𝑛
68
5. Conclusão
O presente estudo apresentou a teoria para o desenvolvimento de uma máquina
de refrigeração movida à energia das ondas de maneira a ser mais eficiente
energeticamente quando comparada a uma máquina movida através de
eletricidade. O ganho foi cerca de 3 % de eficiência. Nesse processo foi montada a
interface entre a turbina hidráulica e o compressor, através do projeto de
engrenagens.
Em seguida foi discutido sobre a consequência de usos de refrigerantes no em
relação ao aquecimento global e o buraco na camada de ozônio. Através de dados
quantitativos, foi selecionado o refrigerante R-134A. O R-134A possuir menores
valores para os índices ODP e GWP em relação aos outros refrigerantes
comparados.
Depois foram comparados dois ciclos termodinâmicos para o refrigerante e foi
escolhido o ciclo mais eficiente. O primeiro ciclo obteve um coeficiente de eficácia
igual a 2,86 e o ciclo 2 igual a 3,09. Visando uma abordagem mais prática, foram
utilizados catálogos e softwares que fornecedores disponibilizam gratuitamente
para selecionar os equipamentos adequados para o funcionamento do sistema.
Sabendo a capacidade da máquina, foram feitos dois estudos de casos, um de
climatização e outro de aquecimento de água. Para climatização, os resultados
mostraram que seriam necessárias 3 máquinas para atender toda a carga térmica
numa plataforma localizada no Ceará. Em relação ao aquecimento de água, uma
máquina consegue esquentar 17280 L de água em 2 horas e 39 minutos para o
consumo pessoal durante o banho.
69
6. Referências Bibliográficas
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