modelagem do desempenho de um sistema de …
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
BACHARELADO EM ENGENHARIA MECÂNICA
NATHAN PALHARES VASCONCELOS
MODELAGEM DO DESEMPENHO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO MISTO
NATAL/RN
2020
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
BACHARELADO EM ENGENHARIA MECÂNICA
NATHAN PALHARES VASCONCELOS
MODELAGEM DO DESEMPENHO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO MISTO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pelo Prof. Dr. Eduardo José Cidade Cavalcanti.
NATAL/RN
2020
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Vasconcelos, Nathan Palhares.
Modelagem do desempenho de um sistema de refrigeração por absorção misto / Nathan Palhares Vasconcelos. - 2020.
42f.: il.
Monografia (Graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Engenharia
Mecânica, Natal, 2020. Orientador: Dr. Eduardo José Cidade Cavalcanti.
1. Refrigeração - Monografia. 2. Modelagem - Monografia. 3. Sistema de absorção - Monografia. 4.
Água-brometo de lítio - Monografia. I. Cavalcanti, Eduardo José Cidade. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU
621
Elaborado por Raimundo Muniz de Oliveira - CRB-15/429
NATHAN PALHARES VASCONCELOS
MODELAGEM DO DESEMPENHO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO MISTO
Relatório final, apresentado à Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte das exigências para a obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
BANCA EXAMINADORA
AGRADECIMENTOS
Primeiramente à Deus, por ter me dado o dom da vida e sempre me dar forças
quando eu sempre precisei.
À minha família, pela base e por ter me mostrado que o caminho se resume a
aprendizado, educação e estudo. E principalmente por me fornecer uma fonte
inesgotável de amor e confiança.
À Loyse, uma pessoa que durante todo o período universitário me auxiliou através
de apoio emocional e me forneceu conhecimentos essenciais para chegar onde
estou hoje.
Aos meus amigos: Allison, Anderson, Arthur, Gleidson, Jefferson, Kevin, Leniel,
Luan, Lucas, Roberto, Rubens, Paulo, Pablo, Pedro e Vinícius, que durante o
concebimento deste trabalho me deram um apoio incalculável e me ajudaram de
toda a forma que podiam.
Ao meu orientador Prof. Dr. Eduardo J. Cidade Cavalcanti, por ter me dado a
oportunidade de ser o seu orientado e me ajudar na escolha de um projeto e fazer
as devidas orientações e fornecer toda ajuda no trabalho, quando não tinha mais
ninguém a recorrer.
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo a análise de um sistema misto de
refrigeração por absorção que utilizou o par de fluidos de trabalho Brometo de Lítio
(LiBr) - Água (H2O). Balanços de massa, concentração da solução e energia foram
realizados nos equipamentos. A modelagem termodinâmica foi desenvolvida no
software Engineering Equation Solver (EES). O sistema tem como fonte de calor
gases de exaustão e água quente vindas de um motor de combustão interna e, para
o resfriamento, é utilizado água de refrigeração. A análise tem como principal
indicador o Coeficiente de Performance (COP) do sistema de refrigeração, tendo
sido encontrado o valor 0,9884 para condições normais. Alterando o taxa de massa
da água quente e do gás de exaustão, uma métrica chamada de razão de calores foi
desenvolvida para análise, alterando essa razão observa-se uma alteração do COP.
Variando a razão 0,16:1 até 1:0,2 foi encontrado os valores de COP entre 2,34 e
0,45. Foi visto que o COP é inversamente proporcional a um indicador chamado de
razão de calores, que foi desenvolvido a partir da entrada de calor nos geradores. O
cop tendeu a ser maior quando essa razão diminui. O trabalho foi comparado com o
artigo de Wang e Wu (2015).
Palavras-Chave: refrigeração; modelagem; sistema de absorção; água-brometo de
lítio.
ABSTRACT
This work has as its main goal the analysis of a mixed absorption refrigeration
system that used lithium bromide (LiBr) and water (H2O) as working fluids. Mass
balances, solution concentration and energy were specified for the equipment.
Thermodynamic modeling was performed using the Engineering Equation Solver
(EES) software. As its heat source, the system possesses exhaust gases and hot
water from an internal combustion engine and, for cooling, cooling water is used. The
analysis has as main indicator the Coefficient of Performance (COP) of the
refrigeration system, with a value of 0.9884 achieved for normal conditions. By
changing the hot water and exhaust gas mass flow, a metric called the heat ratio was
developed for analysis, variations in this ratio shows a change in the COP. By
varying the ratio from 0.16:1 to 1:0,2, COP values between 2.34 and 0.45 were
found. One of the conclusions was that the COP is inversely proportional to the heat
ratio, indicator developed from the heat input in the generators. The COP tended to
be larger when that ratio decreased. This work was compared with an article by
Wang and Wu (2015).
Key words: refrigeration; modeling; absorption system; water-lithium bromide.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO…………………………………………………………………………….1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA…………………………………………………………….5
2.1 O ciclo de Carnot reverso…………………………………...…….. .………....5
2.2 O ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor....………………….6
2.3 O ciclo real de refrigeração por compressão de vapor……………...……...7
2.4 Sistema de refrigeração por absorção...……………………………………...8
2.5 Soluções…………………………………………...……………………………..9
2.5.1 BrLi - H2O……………………………………………………………..10
2.5.2 NH3 - H2O……………………………………………………………..12
2.6 Configurações……………………………………………………...…………..12
2.6.1 Fontes de calor………....…………………………………………....13
2.6.2 Trocadores de calor………………………………………………….14
3. METODOLOGIA………………………………………………………………………...15
3.1 Descrição do sistema………………………………...……………………….15
3.2 Modelagem………………………………………………...…………………..17
3.2.1 Bomba…………………………………………...…………………...18
3.2.2 Trocador de calor de alta pressão (HX)......................................18
3.2.3 Gerador de alta pressão (HG).....................................................19
3.2.4 Geradores de baixa pressão (LG1 e LG2)..................................20
3.2.5 Trocador de calor de baixa pressão (LX)....................................20
3.2.6 Condensador…...………………………………………….….……..21
3.2.7 Evaporador…………...……………………………………….……..22
3.2.8 Absorvedor…………………………………………………….……..22
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES…………………………………………………...…24
5. CONCLUSÃO…………………………………………………………………………...30
REFERÊNCIAS…....……………………………………………………………………....32
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Esquema de refrigerador e Bomba de calor…………………………...…..2
Figura 2.1 - O ciclo de Carnot reverso…………………………………………………….5
Figura 2.2 - O ciclo ideal de refrigeração por vapor……………………………………...6
Figura 2.3 - Diagrama T-s do ciclo real de refrigeração por compressão de vapor…..7
Figura 2.4 - Esquema de um ciclo simples de refrigeração por absorção………….....9
Figura 2.5 - Diagrama T-x para definição da pressão da solução BrLi - H2O…....….11
Figura 2.6 - Diagrama T-x para definição da entalpia da solução BrLi - H2O………..12
Figura 3.1 - Esquema do ciclo misto de refrigeração por absorção…………………..17
Figura 3.2 - Bomba…………………………………………………………………………19
Figura 3.3 - Trocador de calor de alta pressão………………………………………….20
Figura 3.4 - Gerador de alta pressão………………………………………………....….21
Figura 3.5 - Geradores de baixa pressão…………………………………………….....21
Figura 3.6 - Trocador de calor de baixa pressão………………………………………..22
Figura 3.7 - Condensador………………………………………………………………….23
Figura 3.8 - Evaporador…………………………………………………………....………23
Figura 3.9 - Absorvedor……………………………………………………………....……24
Figura 4.1 - Valores de COP com a variação da razão de calores…………………...28
Figura 4.2 - Influência da razão de calores no COP do sistema de refrigeração por
absorção misto……………………………………………………………………………...30
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1 - Dados termodinâmicos de todos os pontos………………………………25
Tabela 4.2 - Potência e taxa de calor dos equipamentos……………………………..26
Tabela 4.3 - Parâmetros termodinâmicos do sistema do presente artigo comparado
com Wang e Wu (2015).............................................................................................29
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
COP - Coeficiente de performance
T - Temperatura
h - Entalpia
s - Entropia
x - Concentração do sal na solução
TH - Temperatura do meio quente
TL - Temperatura do meio frio
QH - Taxa de calor do meio quente
QL - Taxa de calor do meio frio
HX - Trocador de calor de alta pressão
LX - Trocador de calor de baixa pressão
HG - Gerador de alta pressão
LG1 - Gerador de baixa pressão 1
LG2 - Gerador de baixa pressão 2
1. INTRODUÇÃO
A tendência natural de transferência de calor é fluir do ponto de mais alta
temperatura para o ponto de mais baixa temperatura. Essa afirmação está
explicitada na segunda lei da termodinâmica que fala sobre processos espontâneos.
Quando se busca retirar calor de um ambiente de forma não espontânea, é
necessário fornecer trabalho operando máquinas de refrigeração.
Os refrigeradores operam em ciclos, consumindo trabalho para retirar calor
de um ambiente e transferir esse calor para um local externo, chamado ambiente
quente. Esses ciclos utilizam como fluido de trabalho os refrigerantes, que são
fluidos com propriedades térmicas específicas adequadas para esses tipos de ciclos.
Esses refrigerantes, quando estão em uma determinada temperatura e pressão,
removem calor de um ambiente externo ao ciclo sem se degradar.
Também existem as bombas de calor, que são dispositivos que operam
similarmente aos ciclos refrigeradores, só que seu objetivo é aquecer um ambiente
transferindo calor para o ambiente em questão. Esse tipo de ciclo é muito utilizado
para aquecedores, normalmente utilizados em residências localizadas em locais
mais frios. Um exemplo do ciclo de refrigeração e bomba de calor são indicados na
figura a seguir.
1
Figura 1.1 - Esquema de refrigerador e Bomba de calor (ÇENGEL; BOLES, 2013)
Existem ciclos específicos de refrigeração para cada aplicação. É importante
salientar que para conhecer o limite de eficiência de um ciclo real, pode-se comparar
com o ciclo ideal, onde nenhuma irreversibilidade é considerada. O ciclo com
eficiência máxima idealizada para servir de base para análise de outros ciclos é
chamado de ciclo de Carnot reverso.
Partindo de um ciclo ideal várias alterações podem ser feitas para melhorar a
eficiência. Essas mudanças podem ser em vários atributos do ciclo: fluidos de
refrigeração, adição ou alteração de equipamentos e modificação de estrutura.
Um refrigerador precisa-se de trabalho para deixar o fluido em condições
ideais para a remoção do calor do ambiente. Como esse ciclo comprime vapor no
compressor, são chamados de ciclos de compressão de vapor. O trabalho
necessário do compressor é suprido por eletricidade que possui elevado custo.
Às vezes pode-se utilizar um ciclo de refrigeração diferente para alguma
finalidade, como o ciclo de refrigeração por absorção. Nele a compressão de vapor é
substituída por uma bomba de solução. Nesse sistema se gaste menos energia
elétrica e utiliza-se uma fonte de energia térmica para seu funcionamento. Seu
2
desempenho COP é menor, mas a fonte de energia térmica é mais barata ou até
mesmo sem custo em relação à eletricidade consumida no ciclo de compressão a
vapor.
Seu gasto de eletricidade é menor, pois o compressor é substituído por um
sistema de absorção formado por bomba, gerador de vapor e absorvedor. Esse
sistema opera normalmente com uma mistura de solução. A solução é composta por
refrigerante (fluido de trabalho) e soluto (absorvente). O refrigerante é separado da
solução através de energia térmica.
Comparando ambos os ciclos,
o ciclo de compressão a vapor é descrito como um ciclo operado a trabalho
porque a elevação da pressão do refrigerante é conseguida por um
compressor que requer trabalho. O ciclo de absorção por outro lado, é
referido como ciclo operado a calor porque a maior parte do custo de
operação é associada com o fornecimento de calor que libera o vapor do
líquido de alta pressão (STOECKER; JONES, 1985).
Considerando que também é necessária uma bomba no ciclo de absorção, a
necessidade de energia elétrica não é desprezível, mas quando se compara uma
bomba com um compressor, pode-se inferir que a energia requerida para operar
uma bomba é menor do que a de um compressor. Então quando se fala em
economia de energia, o ciclo de refrigeração por absorção tem essa vantagem.
Mesmo reduzindo o trabalho consumido, o ciclo de refrigeração por absorção
é menos eficiente do que o de compressão. Mas para algumas situações que seja
necessária uma maior economia de energia, o sistema de absorção se sobressai
devido ao menor custo operacional.
Pode-se também fazer uma série de adições e alterações a um ciclo de
refrigeração por absorção para aumentar a eficiência. A utilização de trocadores de
calor e geradores de dois níveis de energia funcionam bem para reaproveitamento
de energia e aumento de eficiência. Esse tipo de ciclo que operam com geradores
em 2 estágios são chamados de ciclos de absorção de duplo efeito. O trabalho de
3
Wang e Wu (2015) mostra um ciclo de duplo efeito com duas fontes térmicas
diferentes com 2 geradores, um de alta e outro de baixa pressão dando a
possibilidade de realizar a separação do sal e do vapor em 2 estágios, melhorando a
eficiência e necessitando de menos trabalho, chamado de ciclo misto. O ciclo é
normalmente associado a uma fonte térmica proveniente de um motor. Essa fonte é
responsável por gerar o calor necessário para o momento de aumento de
temperatura, onde o vapor e o sal são separados chegando à pressão do
condensador, onde o vapor será condensado e logo após expandido para o
processo de evaporação.
O presente trabalho tem como objetivo a análise de um ciclo de refrigeração
por absorção que tem como fonte de energia térmica água quente e gases de
exaustão de um motor. O ciclo é composto por dois geradores, um de alta pressão e
outro de baixa e dispõe de vários trocadores de calor em sua composição
A análise será feita principalmente na variação do COP com a mudança da
taxa de massa da água quente gerada pelo motor. Nessa análise verifica-se o
comportamento da eficiência do sistema de refrigeração baseado na quantidade de
água quente e gases de exaustão injetados no ciclo. A análise além de servir para
saber em quais valores de taxa se tem o maior COP, também pode servir para
projeto desse sistema.
4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 O ciclo de Carnot reverso
O ciclo de Carnot é o ciclo de potência com eficiência máxima, ele é
totalmente reversível. Por ser reversível, é um ciclo ideal, pois na realidade, não é
possível eliminar todas as irreversibilidades de um sistema. O ciclo reverso de
Carnot é utilizado para refrigeração e é reversível, assim como o de potência. Ele é
composto por 4 equipamentos e 4 processos:
1-2: Absorção de calor do ambiente de forma isotérmica
2-3: Compressão isentrópica do refrigerante
3-4: Rejeição de calor de forma isotérmica para outro ambiente
4-1: Expansão isentrópica do refrigerante
Figura 2.1 - O ciclo de Carnot reverso (ÇENGEL; BOLES, 2013)
5
Considerando que o ciclo de Carnot reverso é uma idealização de um ciclo de
máxima eficiência para refrigeração, não é possível aplicá-lo de forma real. Mas,
através da idealização desse ciclo foi possível desenvolver outros que estão mais
perto da realidade, demonstrando melhor como fazer para criar um sistema de
refrigeração mais eficiente e bem projetado. O ciclo ideal por compressão de vapor é
uma ótima adaptação mais realista do Ciclo reverso de Carnot.
2.2 O ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor
“Muitas das dificuldades associadas ao ciclo de Carnot reverso podem ser
eliminadas pela vaporização completa do refrigerante antes de sua compressão e
pela substituição da turbina por um dispositivo de estrangulamento” (ÇENGEL;
BOLES, 2013). Quando se faz essas mudanças, se chega ao ciclo ideal por
compressão de vapor. Assim como o de Carnot, é composto por 4 equipamentos e 4
processos:
1-2: Compressão isentrópica em um compressor
2-3: Rejeição de calor a pressão constante em um condensador
3-4: Estrangulamento em um dispositivo de expansão
4-1: Absorção de calor a pressão constante em um evaporador
Figura 2.2 - O ciclo ideal de refrigeração de vapor (ÇENGEL; BOLES, 2013)
6
2.3 O ciclo real de refrigeração por compressão de vapor
Dentre as principais diferenças do ciclo ideal para o real se têm as
irreversibilidades presentes no ciclo real. Segundo Çengel e Boles (2013), uma
fonte comum de irreversibilidade é o atrito do fluido, que causa quedas de pressão
no condensador e evaporador. O ciclo real possui os mesmos componentes do ciclo
ideal, porém muda apenas os estados do refrigerante no final dos equipamentos,
principalmente na turbina e compressor. Pode-se ver o ciclo real na figura abaixo.
Figura 2.3 - Diagrama T-s do ciclo real de refrigeração por compressão de vapor (ÇENGEL; BOLES,
2013)
Quando se verifica o estado em que o refrigerante sai do evaporador em
direção ao compressor no ciclo ideal, percebe-se que ele está em vapor saturado.
Na prática é mais difícil controlar o estado de saída do evaporador com tanta
precisão, por isso o refrigerante sai como um vapor levemente superaquecido. O
compressor no modelo ideal percorre um processo isentrópico, porém o modelo real
gera um vapor com maior temperatura indicando um maior consumo de energia.
7
2.4 Sistema de refrigeração por absorção
O Sistema de refrigeração por absorção substitui o compressor, que consome
energia elétrica para comprimir o fluido de trabalho antes de entrar no condensador,
por um sistema de absorção. O sistema em questão trabalha com absorvedores,
geradores e bomba de mistura de solução e utilizando energia térmica consegue
separar e comprimir o fluido refrigerante para operar o sistema de refrigeração.
O sistema em questão utiliza a absorção do refrigerante através de um meio
de transporte. Em sistemas Água-Amônia, a Amônia serve de refrigerante e a água
serve de meio de transporte chamado de absorvente. Já em sistemas água brometo
de lítio (BrLi-H2O), a água faz o papel de refrigerante. (ÇENGEL; BOLES, 2013)
Depois de absorver calor do ambiente no evaporador, o refrigerante escoa
em direção ao absorvedor como vapor a uma pressão baixa. Esse vapor é absorvido
por uma solução proveniente do gerador após passar por uma válvula de expansão.
Essa mistura das soluções libera calor e por isso deve ser resfriada para transformar
o vapor em líquido, ou seja, calor é rejeitado do absorvedor. No momento seguinte é
usada uma bomba para elevar a pressão da solução e posteriormente ocorre a
separação entre a solução do refrigerante através do aquecimento no gerador.
Figura 2.4 - Esquema de um ciclo simples de refrigeração por absorção (Gramignia, 2013)
Como foi dito anteriormente, a maioria da energia utilizada no ciclo de
refrigeração por absorção é térmica, só não é totalmente devido à bomba que
aumenta a pressão da solução que sai do absorvedor em direção ao gerador, por
esse motivo ele é chamado de ciclo operado a calor (STOECKER; JONES, 1985).
8
Vale ressaltar que o vapor entra com a pressão baixa no absorvedor e após o
momento de separação através de energia térmica, que ocorre no gerador, a sua
pressão é elevada até chegar na pressão de entrada do condensador. Pode-se
observar que calor é removido durante o processo de absorção através de um
sistema de resfriamento acoplado ao absorvedor através de água ou ar. E logo após
a solução ser separada do vapor no gerador é utilizada uma válvula redutora de
pressão (ou válvula de expansão) para deixar a solução na pressão do absorvedor
para o ciclo continuar. A pressão do gerador é superior a do absorvedor assim como
a pressão do condensador é superior a pressão do evaporador.
Analisando o sistema de absorção como um todo, percebe-se que o calor é
removido no absorvedor através de um sistema de resfriamento e é adicionado no
gerador através de uma fonte externa de calor. O aumento da pressão da solução
ocorre com menos consumo de eltricidade do que um compressor utilizando-se uma
bomba. Logo após o processo no gerador, a solução, que normalmente é composta
por uma grande quantidade de sal no sistema H2O-BrLi, tem sua pressão diminuída
na válvula de expansão quando escoa para o absorvedor se unindo ao vapor de
baixa pressão novamente, reiniciando o ciclo.
2.5 Soluções
Para o ciclo funcionar de forma correta é necessário ter um absorvente para
unir-se ao vapor a baixa pressão no absorvedor e que deve separar-se do vapor no
gerador, a alta pressão. A concentração do absorvente junto ao vapor em cada
momento é estimada no cálculo do ciclo com um sistema de absorção. Normalmente
a concentração da solução é menor no momento de aumento de pressão na bomba
e é maior após o vapor passar pela válvula de expansão. Existem dois tipos de
soluções mais utilizadas em ciclos de refrigeração por absorção:
● Brometo de Lítio (BrLi) - H2O
● Amônia (NH3) - H2O
9
Ambos as soluções são usados em situações específicas. Cabe ao projetista
fazer a análise do que é necessário resfriar e quais são suas limitações em relação a
custo e material para a construção do ciclo.
2.5.1 BrLi - H2O
O brometo de lítio está na categoria dos sais sólidos cristalinos. Quando está
na presença de vapor de água, ele absorve esse vapor gerando uma solução
líquida. Por conseguinte, essa solução eleva a pressão do vapor e a função definida
para saber o quanto essa pressão é elevada tem como parâmetros de entrada
temperatura e concentração do sal na solução. As pressões em questão podem ser
obtidas através de um diagrama específico.
A utilização do BrLi - H2O como sal da solução no presente trabalho é devido
a não ser tóxico ao ser humano e pela utilização em situações em que não tem
como objetivo a produção de gelo.
Figura 2.5 - Diagrama T-x para definição da pressão da solução BrLi - H2O (STOECKER; JONES,
1985)
No diagrama mostrado acima, pode-se ver que é possível obter a pressão a
que a solução pode ser elevada quando se tem acesso aos valores da temperatura
e da concentração (porcentagem de sal na solução).
10
Também existe um diagrama similar para se definir a entalpia da solução
BrLi-H2O. Da mesma maneira para se obter a pressão, a entalpia também é função
da concentração de sal na solução e da temperatura da mistura. A entalpia do vapor
de água antes e depois do processo de absorção pode ser encontrada facilmente
em livros de termodinâmica.
A solução BrLi-H2O é utilizada em vários tipos de sistemas de refrigeração por
absorção. Quando a solução é analisada no de efeito simples o COP normalmente
varia de 0,35 à 0,7. Já no sistema analisado no presente artigo, o de duplo efeito, o
COP varia normalmente até 1.3, quase o dobro (WANG; CHUA, 2010)..
Figura 2.6 - Diagrama T-x para definição da entalpia da solução BrLi - H2O (STOECKER; JONES,
1985)
11
A aplicação do sistema com solução BrLi-H2O é utilizada quando deseja-se
temperaturas acima de 4 °C, podendo ser em refrigeração de ambientes.
2.5.2 NH3 - H2O
O sistema em questão era mais utilizado antes da descoberta da
possibilidade de uso do brometo de lítio para o processo. O ciclo não é totalmente
similar ao que se utiliza a solução BrLi - H2O, devido ser necessário um retificador.
Esse equipamento é necessários, pois na solução de Amônia também é encontrado
vapor de água e quando esse vapor chega ao evaporador, ele eleva a temperatura
do equipamento. Essa elevação de temperatura prejudica o evaporador,
considerando que para remover calor é necessário ter uma temperatura do fluido de
trabalho menor do que a do ambiente. Então, para remover uma parte desse vapor,
é necessário submeter o vapor, depois que sai do gerador, em contracorrente com a
solução que entra no retificador. Depois disso a solução é condensada e parte dela
faz um refluxo na coluna que é levado de volta ao retificador.
Outro motivo para o uso do Amônia - Água invés do BrLi - H2O é que a
amônia tem seu ponto de fusão menor do que o do BrLi, sendo utilizada em casos
que é necessária a produção de gelo. Considerando que o BrLi congela em
temperaturas menores do que 0 ºC, ele não é recomendável para soluções em que
se tem como objetivo produção de gelo.
2.6 Configurações
Variações podem ser feitas nos ciclos de refrigeração por absorção com o
intuito de atingir certo objetivo ou aumento de eficiência para um mesmo
fornecimento de energia. Mesmo que novos equipamentos sejam adicionados e isso
necessite de uma maior quantia financeira, pode-se ver como um investimento, que
a economia de energia vai ser maior e, no longo prazo, pode valer a pena. Vários
12
equipamentos podem ser utilizados para modificar um ciclo de refrigeração por
absorção.
2.6.1 Fontes de calor
Variações podem ser feitas nos ciclos de refrigeração por absorção com o
intuito de atingir certo objetivo ou aumento de eficiência para um mesmo
fornecimento de energia. Mesmo que novos equipamentos sejam adicionados e isso
necessite de uma maior quantia financeira, pode-se ver como um investimento, que
a economia de energia vai ser maior e, no longo prazo, pode valer a pena. Vários
equipamentos podem ser utilizados para modificar um ciclo de refrigeração por
absorção.
Esses ciclos que operam com dois ou mais geradores são chamados de
ciclos de refrigeração por absorção por efeito misto, esse efeito misto se dá devido a
existirem vários geradores para várias pressões que o vapor de água pode atingir.
Então em uma certa parcela do ciclo o vapor de água opera em dois estados de
geração, um de alta e outro de baixa pressão, antes de chegar a pressão do
condensador. E quando se trata de duas fontes de calor como a água e os gases
citados anteriormente, cada fonte é direcionada para um gerador diferente de acordo
com a temperatura e pressão de trabalho.
A pressão do gerador de alta pressão está muito ligada ao COP do ciclo e
também à eficiência exergética. Segundo Yilmazoğlu (2013), depois de utilizar 3
pressões diferentes no gerador em questão foi constatado que a pressão maior
entre as utilizadas foi a que gerou o maior COP de refrigeração, mas também a
eficiência exergética diminui.
Coletores solares também podem ser utilizados como fonte de energia para
fornecer calor em um sistema de absorção. O sistema de energia solar fica acoplado
ao gerador, que libera calor para o gerador com o objetivo de separar o vapor do sal
do sistema de absorção. A utilização desse tipo de energia pode ter um custo maior,
mas é uma ótima opção à longo prazo.
13
Considerando que o ciclo de refrigeração por absorção não é amplamente
modificado quando utilizada essa fonte de calor, o sistema que coleta a energia solar
tem grande impacto na eficiência do ciclo. Componentes como o coletor podem ter
grande peso na eficiência geral do ciclo e no ganho de calor do gerador. Coletores
que têm mais ganho de calor útil também aumentam a eficiência do ciclo,
considerando que a transferência de calor para o gerador é maior (KERME et al.,
2017).
Analisando a eficiência da energia solar como fonte de calor para os
geradores, pode-se observar outros fatores como a destruição da exergia, eficiência
exergética e potencial de melhoria. Esses fatores, quando analisados, revelam quais
equipamentos mais contribuem para uma eventual perda de eficiência.
Segundo Kerme et al. (2017), em um refrigerador com um sistema de
absorção acoplado a um conjunto de obtenção de energia solar, teve-se o coletor
como maior fonte de destruição de exergia, 71,9% da exergia de entrada foi
destruída, o que representou 84% da exergia do sistema. O gerador teve uma perda
exergética de 8,3% do total.
2.6.2 Trocadores de calor
A adição de trocadores de calor em ciclos de refrigeração também pode
aumentar a eficiência do ciclo utilizando a troca de calor entre etapas diferentes dos
processos para chegar no estado desejado em cada ponto.
Em um sistema de refrigeração por absorção eles podem ser adicionados
entre o absorvedor e o gerador, considerando que a solução quente proveniente do
gerador pode pré- aquecer a solução mais fria que sai do absorvedor através de
uma bomba.
14
3. METODOLOGIA
3.1 Descrição do sistema
O sistema analisado no presente trabalho foi adaptado de Wang e Wu (2015),
sendo brevemente modificado para uma melhor análise, considerando o principal
objetivo deste trabalho. A modificação consistiu na retirada de um regenerador
acoplado ao escoamento de água quente proveniente do motor e adição de mais um
ponto para melhor análise da bomba.
A figura 3.1 mostra o ciclo analisado neste artigo de refrigeração por absorção
misto, acoplado a um motor de combustão interna e um sistema de resfriamento a
base de água.
15
Figura 3.1 - Esquema do ciclo misto de refrigeração por absorção
O motor libera gases de exaustão e água quente, sendo os gases para
liberação de calor do gerador de alta pressão (HG) e a água para os dois geradores
de baixa pressão (LG). O escoamento de água gelada passa primeiramente pelo
absorvedor, onde ocorre o resfriamento da solução do sal com a água e depois vai
para o condensador, onde absorve calor da mistura sal - água deixando pronta para
ser expandida pela válvula em direção ao evaporador.
O ciclo é chamado de misto devido a ter duas fontes de calor: a água quente
que insere calor nos geradores de baixa pressão (LG1 e LG2) e os gases de
exaustão que age no gerador de alta pressão (HG).
O sistema é composto por 3 geradores: O LG1 e LG2 que absorvem calor
para a solução em uma pressão e o HG que trabalha com pressões altas. O gerador
de alta pressão está em série com um dos dois que trabalham com menor pressão
16
(LG2). Como um ciclo de refrigeração, o sistema também é composto por outros
equipamentos comuns: evaporador, condensador e válvulas de expansão.
O sistema com dois geradores é chamado de duplo efeito e tem esse nome
pois o caminho da solução passa por ambos os geradores, que trabalham com
pressões diferentes. A solução fraca sai do absorvedor através de uma bomba,
passa pelo trocador de calor LX, se divide em uma bifurcação, vai em direção ao
segundo trocador de calor HX e chega ao gerador de alta pressão (HG), onde a
solução começa a ficar mais fraca. Depois do HG, a solução vai em direção ao
gerador de baixa pressão 2 (LG2), onde, depois de virar uma solução mais forte,
passa pelo LX novamente em direção ao absorvedor.
Já o sistema de efeito simples é chamado desta maneira por ser composto
por apenas um gerador de alta pressão. O início do caminho é similar ao descrito
anteriormente e na bifurcação ele passa diretamente para o gerador de baixa
pressão 1 (LG1), retornando depois para o absorvedor após passar pelo LX.
Para aumento da eficiência do ciclo através de regeneração, 2 trocadores de
calor são colocados de forma estratégica. No primeiro trocador (LX), a solução fraca
é pré aquecida pela solução mais forte que sai do gerador em direção ao
absorvedor. O mesmo acontece no regenerador adjacente ao HG (HX), a solução
fraca depois de ser aquecida pelo LX é novamente aquecida pelo fluido de saída do
HG, que foi aquecido a alta pressão.
3.2 Modelagem
O sistema foi modelado no software Engineering Equation Solver (EES) e
teve como principal ponto de análise a variação do COP do sistema de refrigeração
de acordo com a mudança da razão de calores provenientes do motor de combustão
interna. A razão pode ser alterada mudando as taxas de massa da água quente e
dos gases de exaustão, essa é uma maneira de analisar a mudança da eficiência de
refrigeração baseada na quantidade de calor inserido no sistema.
17
3.2.1 Bomba
O líquido junto ao sal proveniente do absorvedor sai com baixa pressão. A
bomba tem como objetivo aumentar a pressão da solução , enviando o líquido em
direção aos dois geradores (STOECKER; JONES, 1985). O uso da bomba em um
ciclo com absorção aumenta a pressão da solução sem consumir tanto trabalho
quanto um compressor, economizando energia e, posteriormente, diminuindo
gastos.
Figura 3.2 - Bomba
Balanço de massa: mm1 = 0
Balanço de concentração: xx0 = 1
Balanço de energia: m Wm0 × h0 = 1 × h1 + bomba
3.2.2 Trocador de calor de alta pressão (HX)
O trocador de calor de alta pressão fica antes do HG e tem como objetivo pré
aquecer a solução que vai em direção ao HG com a solução depois de ser aquecida
à alta pressão. O processo de regeneração aumenta a eficiência do ciclo pois a
solução precisa de menos energia para ser aquecida no HG.
18
Figura 3.3 - Trocador de calor de alta pressão
Balanço de massa: m ; m mm2" = 5 6 = 7
Balanço de concentração: x ; xx2" = 5 6 = x7
Balanço de energia: Q h ) m h ) HX = m2" × ( 5 − h2" = 6 × ( 6 − h7
3.2.3 Gerador de alta pressão (HG)
O gerador de alta pressão (HG) insere calor na solução, separando o vapor
do sal. Como o HG é o primeiro estágio de um ciclo de duplo efeito, o vapor menos
concentrado é direcionado para outro gerador, que trabalha com uma pressão mais
baixa. A energia térmica utilizada para alimentar esse gerador é proveniente dos
gases de exaustão do motor de combustão interna (WANG; WU, 2015).
Figura 3.4 - Gerador de alta pressão
Balanço de massa: m mm5 = 6 + 8
Balanço de concentração: mm5 × x5 = 6 × x6
Balanço de energia: Qm5 × h5 + motor(gas) = m6 × x6 + m8 × h8
19
3.2.4 Geradores de baixa pressão (LG1 E LG2)
Os geradores de baixa pressão recebem calor proveniente da água quente
para separar o vapor do sal na solução. Eles trabalham de forma paralela com a
mesma pressão. O gerador de baixa pressão 1 (LG1) recebe a solução proveniente
da bomba, que aumenta a pressão do vapor vindo do absorvedor. Já o gerador de
baixa pressão 2 (LG2) está em série com o HG1. A solução enfraquece primeiro à
alta pressão, para depois continuar o processo no LG2.
Figura 3.5 - Geradores de baixa pressão
Balanço de massa: m m mm7 + 2′ = 11 + 3
Balanço de concentração: mm7 × x7 + m2′ × x2′ = 3 × x3
Balanço de energia:
Qm2′ × h2′ + m7 × h7 + m8 × h8 + motor(agua) = m m3 × h3 + 9 × h9 + m11 × h11
3.2.5 Trocador de calor de baixa pressão (LX)
O trocador de calor de baixa pressão fica entre o absorvedor e os geradores
de baixa pressão e tem como objetivo pré aquecer a solução proveniente da bomba
20
em direção aos geradores (HG, LG1 e 2). A solução que vai em direção ao gerador
de alta pressão é regenerada duas vezes, pelo LX e pelo HX.
Figura 3.6 - Trocador de calor de baixa pressão
Balanço de massa: m ; m mm1 = 2 3 = 4
Balanço de concentração: x ; xx1 = 2 3 = x4
Balanço de energia: Q h ) m h ) LX = m1 × ( 2 − h1 = 3 × ( 3 − h4
3.2.6 Condensador
O condensador recebe vapor proveniente dos dois geradores sob uma
mesma pressão. O vapor é resfriado através do escoamento de água fria que
também passa pelo absorvedor até se condensar. (WANG; WU, 2015)
Figura 3.7 - Condensador
Balanço de massa: m mm11 + 9 = 12
Balanço de concentração: O equipamento não trabalha com a solução
21
Balanço de energia: Q cond = m m11 × h11 + 9 × h9 − m12 × h12
3.2.7 Evaporador
A principal função do evaporador é retirar calor do ambiente, é um elemento
comum em todos os ciclos de refrigeração. O refrigerante remove calor do ambiente,
através do aumento da temperatura devido a troca de calor. Após a passagem pelo
evaporador, o vapor de baixa pressão vai em direção ao absorvedor.
Figura 3.8 - Evaporador
Balanço de massa: mm13 = 12
Balanço de concentração: O equipamento não trabalha com a solução
Balanço de energia: Q evap = m13 × h13 − m12 × h12
3.2.8 Absorvedor
No absorvedor o vapor entra em contato com o sal, sendo absorvido e se
tornando uma solução líquida. A solução é resfriada por um escoamento de água
gelada e caso essa absorção fosse efetuada de forma adiabática, a temperatura da
solução iria subir e o processo de absorção poderia cessar (STOECKER; JONES,
1985).
22
Figura 3.9 - Absorvedor
Balanço de massa: m mm13 + 4 = 0
Balanço de concentração: x m xm4 × 4 = 0 × 0
Balanço de energia: Q m abs = m13 × h13 + 4 × h4 − m0 × h0
23
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com os dados adaptados de Wang e Wu (2015) de pressão, temperatura e
concentração, foi modelado todo o desempenho do sistema. Os balanços de massa,
de energia e concentração foram modelados e calculados as entalpias e vazões
mássicas e em cada ponto do sistema de refrigeração por absorção.
Na tabela 4.1 pode-se ver que as taxas de massa, entalpias, pressões,
temperaturas e concentrações das soluções em cada ponto do sistema. A análise foi
feita com o ciclo em regime permanente.
Tabela 4.1 - Dados termodinâmicos de todos os pontos
O fluido refrigerante é a água que é separada no estado de vapor da solução
do absorvente água-BrLi nos pontos 8 e 11. Nos outros pontos 9, 12 e 13 ocorre o
escoamento de água. No trabalho de Wang e Wu (2015), observou-se uma
inconsistência: a falta de uma válvula de expansão localizada antes do ponto 2’.
Depois de passar pela bomba, a solução fraca (57,30%) do ponto 0 fica com a
pressão do gerador HG, já antes do ponto 2' há uma válvula de expansão, deixando
a solução na pressão do LG. A solução 2” vai em direção ao HG, onde passa pelo
trocador de calor para ser pré aquecida, aumentando sua temperatura até 129,8°C
24
de maneira isobárica. No gerador HG a solução sai com uma concentração de
61,3% e tem sua temperatura aumentada até 155°C, que é a temperatura mais alta
de todo ciclo, sendo o calor fornecido pelos gases de exaustão. Depois de sair do
HG, a solução perde calor no regenerador, tendo sua temperatura diminuída até
91,52°C indo em direção ao LG 2, vapor de água também sai do HG indo
diretamente para o condensador, sendo expandido antes até a pressão de 6,63 kPa.
Vapor de água vai em direção ao condensador e a solução forte vai em direção ao
absorvedor, para o início do ciclo. No condensador, o vapor perde calor e é
expandido novamente até a pressão do evaporador, a menor do ciclo. Depois de
ganhar calor no evaporador, ele volta para o absorvedor.
Na tabela 4.2, verifica-se o valor das taxas de calor de cada componente do
sistema misto de refrigeração por absorção.
Tabela 4.2 - Potência e taxa de calor dos equipamentos
Como se pôde observar na tabela 4.2, a bomba possui uma baixa potência.
Ela é uma das vantagens do sistema de absorção em relação ao sistema de
compressão. Sua economia de potência elétrica é significativa, caso fosse utilizado
um compressor seu consumo seria bem superior. A bomba tem menor consumo de
energia, sendo mais econômica do que o uso de um compressor.
Os outros equipamentos são trocadores de calor. O absorvedor possui a
maior taxa de troca de calor. Ele tem como objetivo receber o vapor de água à baixa
pressão do evaporador e se misturar com a solução forte de água BrLi. Essa mistura
25
é exotérmica, ou seja, libera energia que impede a formação de líquido. Uma grande
taxa de calor é trocada no absorvedor. Para manter a temperatura baixa de forma
que a solução de sal absorva o vapor de água, um escoamento de água de
resfriamento controla a temperatura. O resfriamento constante do absorvedor
permite que esse processo de absorção não cesse, o que poderia diminuir a
eficiência do ciclo.
A principal forma de análise da eficiência do ciclo em questão é o Coeficiente
de Performance (COP), ele é utilizado para medir a eficiência de sistemas de
refrigeração. No caso do ciclo de refrigeração por absorção, ele é calculado através
do calor removido do ambiente sobre os calores injetados no ciclo. O calor removido
do ambiente é localizado no evaporador e os calores injetados são ambos
provenientes do motor de combustão acoplado ao ciclo: água quente e gases de
exaustão.
A capacidade de retirar calor ou capacidade de refrigeração do evaporador é
uma das taxas de calores mais importantes de um ciclo de refrigeração. Ela é
diretamente proporcional ao COP e mostra o quanto de calor está sendo removido
do ambiente de análise. Baseado na quantidade de energia térmica de entrada pelos
gases de exaustão e água quente, pode-se verificar se o sistema é eficiente ou não.
No presente artigo, o COP foi calculado em chamadas condições normais,
onde as temperaturas de entrada dos gases de exaustão e da água quente no ciclo
eram de 670ºC e 87ºC, respectivamente. As taxas de massa dos gases e da água
nas condições em questão foram de 0,0235 kg/s e 1.06 kg/s, respectivamente. A
água utilizada para resfriar o absorvedor e logo após o condensador tem como
temperatura de entrada de 30º. A pressão do HG é de 92 kPa e a dos LG é de 6,63
kPa.
O COP do sistema é função do calor retirado do ambiente através do
evaporador e dos calores que são injetados no sistema através dos gases e da água
quente provenientes do motor. Quando altera-se a entrada de energia térmica, o
COP também altera significamente. Para verificar a variação do COP em função de
26
ambos os calores, utiliza-se a razão entre o calor da água e dos gases para uma
melhor análise.
No modelo foi possível alterar a razão entre as taxas de calores fornecido ao
sistema de absorção pela água quente do motor e dos gases de combustão. Esse
parâmetro chamado de razão do calor é um indicador importante que influencia o
desempenho (COP) do sistema em geral. O calor emitido pelo gás vai em direção ao
gerador de alta pressão e o da água vai para os geradores de baixa pressão.
Mantendo a temperatura e variando as taxas de massa, pode-se alterar as razões e
verificar como o COP se comporta caso o calor inserido no ciclo aumente.
Figura 4.1 - Valores de COP com a variação da razão de calores
Na figura 4.1 que o COP do sistema variou de 0,4554 à 2,343 variando as
taxas de massa das energias térmicas de entrada no ciclo e consequentemente a
razão de calores. A razão fica próximo de 0 quando o calor da água é inferior ao
calor emitido pelos gases e cresce quando o calor proveniente da água é maior.
Analisando o gráfico na figura 4.1, foi observado que o COP é inversamente
proporcional à razão de calores, então quanto maior o calor dos gases, maior o
COP. A tabela 4.3 mostra todos os valores correspondentes de COP quando se
varia a razão de calores entre a água quente e os gases de combustão.
27
Isso mostra que para a eficiência geral do ciclo, o gerador de alta pressão tem
maior participação no quesito de separação do vapor e do sal através da inserção de
energia térmica.
Tabela 4.3 - Parâmetros termodinâmicos do sistema do presente artigo comparado com Wang e Wu
(2015)
A adição do ponto 0 para uma melhor análise da bomba é uma das maiores
diferenças entre os dois ciclos que estão descritos nas tabela 4.3. As taxas de
massa de ambos os sistemas são similares, tendo como maior erro percentual
8,11% nas taxas de massa dos pontos 8 e 9, onde Wang e Wu (2015) utilizam 0,004
kg/s e no sistema adaptado é utilizado o valor de 0,00379.
Todas as entalpias do presente artigo foram obtidas através do software EES
e todos os valores são coerentes com Wang e Wu (2015). As pressões sofrem
grandes modificações apenas nos equipamentos: condensador, evaporador e nos
geradores.
28
Figura 4.2 - Influência da razão de calores no COP do sistema de refrigeração por absorção misto
(WANG; WU, 2015)
O gráfico exposto na figura 4.2 mostra a variação do COP de acordo com a
razão de calores. A razão mostrada varia de 1:0,0 (só calor de água) até 0,0:1 (só
calor do gás), já na figura 4.1 e tabela 4.3 verifica-se que os valores variam de
aproximadamente 1:0,2 até aproximadamente 0,2:1. Mesmo não sendo os mesmos
intervalos de análise, verifica-se que os gráficos expostos nas figuras 4.1 e 4.2
mostram comportamentos similares, tendo o aumento do COP quando a razão de
calores diminui.
A diminuição da razão de calores mostra que o calor do gás tem mais
participação na distribuição de energia térmica nos geradores para eficiências mais
altas, gerando os maiores COPs. Mesmo a água com uma menor participação nas
maiores eficiências, como visto na curva vermelha representada na figura 4.2, ela
ainda é importante no ciclo pois depois de esquentada pelo motor e inserida no ciclo
ela volta para o motor novamente, podendo ainda ser reutilizada. O mesmo não
acontece com os gases, pois depois de utilizados no ciclo são atirados para fora,
sem a possibilidade de novo uso.
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5.CONCLUSÃO
Um sistema de refrigeração por absorção com água e Br-Li com efeito misto foi
modelado utilizando os dados do trabalho de Wang e Wu (2015) . Os resultados
podem ser observados a seguir:
● Uma revisão do sistema de refrigeração por compressão e absorção foi
realizada;
● Desenvolvimento de balanço de massa, energia (1ª lei da termodinâmica) e
concentração em todos os componentes do ciclo e propondo um ponto antes
da bomba e identificação de válvulas não indicadas no artigo de referência;
● Cálculo das entalpias, vazões em todos os pontos, transferência de calor nos
componentes e potência da bomba;
● Determinação do Coeficiente de Performance (COP) no valor de 0,9884 nas
condições determinadas normais.
● Determinação do coeficiente de performance do ciclo de absorção em função
das razões de calores. Variando a razão de 0,16:1 até 1:0,2 verificou-se uma
variação do COP de 2,343 até 0,4554;
● Comparação dos pontos com o trabalho de Wang e Wu (2015), verificando
um erro percentual máximo de 8,11% em uma das taxas de massa.
● Verificou-se um comportamento similar com o artigo de Wang e Wu (2015) na
correlação entre razão de calores e COP, sendo eles inversamente
proporcionais.
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REFERÊNCIAS
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