modelagem e simulação de um sra

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MODELAGEM E SIMULAO DE UM PROTTIPO LABORATORIAL DE

UM CICLO DE REFRIGERAO POR ABSORO DE AMNIA- GUA

Felipe Canineo Preter [email protected]

Resumo. O presente trabalho destina-se modelagem e simulao de um ciclo laboratorial de refrigerao por absoro de amnia. As simulaes sero realizadas com o auxlio do software EES - Engineering Equation Solver - uma importante ferramenta

para a resoluo de problemas de termodinmica. Em um primeiro momento, o trabalho apresenta modelos simplificados de

sistemas de refrigerao por absoro sendo que os resultados obtidos nas simulaes se mostraram coerentes com os encontrados

na literatura. Em um segundo momento modificaes so inseridas neste ciclo com o intuito de otimiz-lo, ou seja, aumentar seu

COP. Tais modificaes referem-se insero de um retificador, trocadores de calor, uso do conceito GAX etc., at chegarmos ao

prottipo propriamente dito. Em um terceiro momento ser feito um estudo de alternativas de acionamento do gerador de vapor,

quais sejam: vapor de gua, leo quente, produtos de combusto e queima direta.

Palavras chave: Refrigerao (simulao computacional), amnia, , termodinmica

1. Introduo

A viabilidade dos sistemas de absoro vem aumentando, apesar de apresentar um COP menor que a dos ciclos de

compresso a vapor, graas ao menor consumo de energia eltrica e possibilidade de aproveitamento de fontes de

calor, muitas vezes rejeitados, ou em sistemas de coogerao.

O presente trabalho destina-se modelagem e simulao de um ciclo laboratorial de refrigerao por absoro de

amnia, como mostra a figura 1(SISEA, 2009). As simulaes foram realizadas com o auxlio do software EES -

Engineering Equation Solver - uma importante ferramenta para a resoluo de problemas de termodinmic, que possui

um grande banco de dados embutido de propriedades termodinmicas, transporte e til na resoluo de problemas em

termodinmica, mecnica dos fluidos e transferncia de calor.

Figura 1. Prottipo

Alm da modelagem e simulao do ciclo foi feito tambm um estudo das alternativas de acionamento do gerador

de vapor, quais sejam: vapor de gua, leo quente, produtos de combusto e queima direta.

2. Misturas Binrias

Diferentemente de uma substncia pura, onde duas propriedades definem o seu estado, para uma mistura so

necessrias trs propriedades para definir um estado, Kuehn (1980). Assim sendo, para a modelagem e simulao do ciclo de absoro em questo uma nova propriedade dever ser considerada, a frao mssica (x), que ser definida

como a razo entre a massa de amnia e a massa da mistura de gua e amnia conforme mostra a equao (1).

(1)

3. Sistema de refrigerao por absoro gua-amnia

O ciclo de absoro similar em certos aspectos ao ciclo de compresso de vapor, a diferena est no processo de

elevao da presso do vapor de baixa presso, onde o ciclo de absoro substitui o compressor por um sistema de

absoro, Stoecker e Jones, 1985; Herold, 1996, Skikhirin, 2001; Herold e Radermacher R., 1995. O sistema de absoro primeiro absorve vapor de baixa presso em um lquido absorvente apropriado. Incorporado

no processo de absoro h a converso de vapor em lquido, desde que esse processo similar ao de condensao, o

calor precisa ser rejeitado durante o processo. O passo seguinte elevar a presso do lquido com uma bomba, e o passo

final liberar o vapor do lquido absorvente por adio de calor. A figura 2 (Peres Ortigosa, A. S., 2007) apresenta um

ciclo de refrigerao por absoro operado com gua e amnia de simples efeito.

Figura 2. Ciclo de refrigerao por absoro operado com gua e amnia de simples efeito

O ciclo pode ser dividido em de alta e de baixa presso. A alta presso conseguida com o auxlio de uma bomba

que trabalha apenas com a mistura gua-amnia no estado lquido, que possui uma grande massa especfica, de modo

que seu gasto com energia muito pequeno. A baixa presso obtida atravs das vlvulas de expanso.

Deste modo, o vapor de baixa presso do evaporador absorvido por uma soluo lquida no absorvedor. Assim, o

absorvedor resfriado, rejeitando calor para a atmosfera, uma vez que se o processo de absoro fosse realizado

adiabaticamente, a temperatura da soluo iria subir e a absoro de vapor poderia ser interrompida. A bomba recebe a

soluo forte, contendo elevada concentrao de amnia, de baixa presso do absorvedor, eleva sua presso e a conduz

para o gerador, onde calor de uma fonte de alta temperatura expulsa o vapor que foi absorvido pela soluo.

J a soluo lquida, com baixa concentrao de amnia, retorna para o absorvedor por uma vlvula redutora de

presso para que a diferena de presso entre o gerador e o absorvedor seja mantida. Paralelamente, o refrigerante

vaporizado conduzido para o condensador, rejeitando calor. Sua presso reduzida atravs de uma segunda vlvula de

expanso para que, no evaporador, receba calor do ambiente e finalmente retorne para o absorvedor.

O coeficiente de desempenho para o ciclo de absoro dado conforme a equao (2), Stoeckere Jones, 2006.

gerador

evaporador

Q

Q

geradoraocalordeadiodeTaxa

orefrigeradeCapacidadeCOP

(2)

Vale pena salientar que quando comparado com o COP de um ciclo por compresso a vapor o COP para ciclos de

absoro so normalmente muito menores pois o COP do ciclo de compresso a vapor a relao da taxa de

refrigerao pela potncia na forma de trabalho fornecida para operar o ciclo. Porm a energia na forma de trabalho

muito mais valiosa e cara do que a energia na forma de calor, Peres Ortigosa, A. S. (2007).

3.1. Otimizao dos sistemas de refrigerao por absoro

Alteraes no ciclo apresentado podem ser feitas a fim de se obter uma elevao do desempenho. Essas alteraes

so configuraes de modo que o calor rejeitado em um estgio de alta temperatura aproveitado em um estgio de

baixa temperatura, permitindo a gerao de um efeito de refrigerao adicional no estgio de baixa temperatura. Tais

ciclos so chamados de ciclos de multi efeito.

Um exemplo so os ciclos GAX. O termo GAX se refere Generator / Absorber Heat Exchange que pode ser

interpretado como dois ciclos de simples-efeito trabalhando paralelamente. O conceito dos ciclos GAX reside em

simplificar um sistema de dois estgios e duplo-efeito, de forma a obter o mesmo desempenho, Srikhirin,2001.

A figura 3(Peres Ortigosa, A. S., 2007) mostra um ciclo similar ao da figura 2, com exceo do retificador, onde foi

usado o conceito GAX.

Figura 3. Conceito dos ciclos GAX

4. Materiais e mtodos

Para a execuo do projeto foi utilizado o software EES - Engineering Equation Solver. O EES um software de

equacionamento matemtico que possui bibliotecas de propriedades termodinmicas para inmeras substncias, o que

facilita a resoluo de operaes matemticas complexas.

Foram feitas 4 simulaes, e para cada uma delas foram definidos os dados de entrada, como a carga de

refrigerao e temperaturas de sada do absorvedor, condensador e evaporador, entre outros. Posteriormente, usando o

software EES, foi feita a modelagem e simulao de cada ciclo, ou seja, foram realizados todos os balanos de massa e

energia a fim de se determinar todas as trocas de calor. Por fim foi determinado o COP de cada ciclo.

Em um primeiro momento foi feita a modelagem e simulao do ciclo de absoro padro mostrado na Figura 2

composto pelo condensador, vlvulas de expanso, evaporador, absorvedor, bomba e gerador, com apenas 2 estgios de

presso, o de baixa e o de alta presso, conseguida pela bomba.

Em um segundo momento, visando a melhora do COP do ciclo foi feita a insero de um retificador como pode ser

visto na Figura 4 (Peres Ortigosa, A. S., 2007). O retificador foi inserido na sada do gerador e sua funo aumentar a

concentrao de amnia pela condensao da gua que at ento continha. No primeiro caso, como no tinha o

retificador, determinamos como dado de entrada uma concentrao aceitvel de sada do gerador.

Figura 4. Ciclo simples aps a insero do retificador

Em um terceiro momento foram inseridas trocas de calor intermedirias no ciclo, ou seja, o calor rejeitado em uma

parte do ciclo aproveitado em outra. Alm destas otimizaes o ciclo agora passou tambm a ter um estgio de

presso intermedirio, entre o baixo e o alto. Este novo ciclo com tais modificaes pode ser visualizado na Figura 5

(Peres Ortigosa, A. S., 2007).

Figure 5. Ciclo aps trocas de calor intermedirias com estgio intermedirio de presso

Em um quarto momento foi inserido um pr-absorvedor no ciclo resultando no prottipo.

Outra particularidade observada no prottipo o aproveitamento do calor dissipado pelo absorvedor e pelo gerador

em um outro ciclo para a produo de gua quente.

5. Modelagem

5.1. Modelo do prottipo

O modelo do prottipo foi desenvolvido a partir da configurao apresentada na Figura 1.

Do evaporador tem-se o vapor de amnia (14), que passa por um trocador de calor contra corrente que trabalha a

uma presso intermediria, e troca calor com o ramo (11)-(12). O vapor de amnia (15) entra no pr-absorvedor e se

mistura com a soluo fraca (6), que resultado do processo de desabsoro no gerador. A mistura resultante a

soluo forte (16), que passa agora pelo absorvedor terminando o processo de absoro. Depois, a soluo bombeada,

consumindo uma potncia Wbr , at a presso do gerador (2), circula pelo retificador e absorve o calor Qret, resultando

no estado 3. A seguir, produz-se uma recirculao da soluo forte no absorvedor, onde esta aquecida ainda mais, Qabs

, at o estado 4, que o ponto de alimentao do gerador. No gerador, com o fornecimento de calor atravs da queima

do combustvel, Qger , ocorre o processo de desabsoro, onde o vapor de amnia (7) separado da soluo forte a qual

se empobrece, resultando na soluo fraca (5) que, uma vez expandida no dispositivo de expanso, entra no absorvedor

para repetir o ciclo. Da sua parte, o vapor, no estado 7, entra no retificador onde aumentada sua concentrao pela

condensao da gua que at ento continha. O resultado deste processo o refluxo (8), que retorna ao gerador, e o

vapor de amnia (9), que entra no condensador. No condensador o calor Qcond perdido para o ambiente, resultando no

estado 10. Em seguida o vapor de amnia passa por uma vlvula de expanso que expande at uma presso

intermediria, resultando no estado 11. Este agora realiza uma troca de calor em contra corrente com o ramo (14)-(15)

resultando no estado 12. Este agora passa por uma nova vlvula de expanso que reduz sua presso at a presso baixa

do sistema, resultando no estado 13. Agora este passa pelo evaporador onde recebe calor Qevap do ambiente, resultando

no estado 14, completando o ciclo.

5.2. Balanos de massa e energia

Para cada componente do ciclo foram realizados balanos de massa e energia. Os balanos de massa levam em

considerao a mistura gua-amnia e tambm a massa de amnia isoladamente. Os ndices de 1 a 16 representam os

pontos do ciclo.

Pr-Absorvedor

Balano de massa para a mistura no pr-absorvedor, onde m a vazo mssica da mistura:

16156 mmm (3)

O balano de massa para a amnia no absorvedor apresentado na Eq. (4).

1616151566 mxmxmx (4)

Balano de massa para a mistura no ramo pr-aquecido:

43 mm (5)

Balano de massa para a amnia no ramo pr-aquecido:

43 xx (6)

O balano de energia permite determinar a taxa de transferncia de calor no absorvedor, absQ

.

44161633151566 mhmhQmhmhmh abs

(7)

onde h a entalpia especfica.

Absorvedor

(8)

(9)

(10)

Bomba

Balano de massa para a mistura:

21 mm (11)

Balano de massa para a amnia:

21 xx (12)

A entalpia no ponto 2, supondo a bomba isentrpica (representada pelo ndice s), dada pela Eq. (8).

)( 12112 PPvhh s (13)

Onde v o volume especfico e P a presso.

A potncia da bomba para processo isentrpico, bsW , calculada atravs da Eq. (9).

(14)

A potncia real (representada pelo ndice r) deve considerar a eficincia da bomba, b :

116 mm

116 xx

B

bs

br

WW

(15)

Vlvulas de expanso (VE-1, VE-2, VE-3)


13;11;612;10;5 mm (16)


13;11;612;10;5 xx (17)

Balano de energia:

13;11;612;10;5 hh (18)

Gerador


7584 mmmm (19)


77558844 mxmxmxmx (20)

O balano de energia permite determinar a taxa de adio de calor ao gerador, gerQ . Tambm considerada a

efetividade do gerador, ger

, de modo que a taxa de calor real fornecida soluo, real,gerQ , calculada pela Eq. (21).

gergerreal,ger QQ (21)

5577real,ger8844 mhmhQmhmh

(22)

Retificador

Balano de massa para a mistura no retificador:

897 mmm (23)

Balano de massa para a amnia no retificador:

889977 mxmxmx (24)

Balano de massa para a mistura no ramo pr-aquecido:

32 mm (25)

Balano de massa para a amnia no ramo pr-aquecido:

32 xx (26)

O balano de energia tambm deve considerar a taxa de calor no retificador, retQ :

8899ret77 mhmhQmh

(27)

A taxa de transferncia de calor para o ramo que pr-aquecido no retificador, real,retQ

, deve considerar a

efetividade do retificador, ret :

ret

real,ret

retQ

Q

(28)

(29)

Condensador


109 mm (30)


109 xx (31)

Balano de energia, onde condQ a taxa de troca de calor no condensador:

1010cond99 mhQmh

(32)

Evaporador


1211 mm (33)


1211 xx (34)

O balano de energia considera a taxa de troca de calor no evaporador, evapQ :

1212evap1111 mhQmh

(35)

Trocador de calor

As entalpias dos pontos 12 e 15 so determinadas a partir da taxa de transferncia de calor TC,realq , considerando a

efetividade TC do trocador e a mnima taxa de transferncia de calor, TC,mnq .

TC,mnTCTC,real qq (36)

11

real

1112m

qhh

(37)

14

real

1415m

qhh

(38)

Balanos de massa para as misturas nos ramos do trocador:

1211 mm (39)

1514 mm (40)

Balanos de massa para a amnia:

1211 xx (41)

1514 xx (42)

Balano de energia:

1515121214141111 mhmhmhmh (43)

importante salientar que a potncia fornecida bomba no foi considerada no clculo do coeficiente de

desempenho, uma vez que consideravelmente menor do que a taxa de adio de calor ao gerador.

6. Simulao

6.1. Dados de entrada e condies operacionais

No prottipo o pr-absorvedor foi tratado como o absorvedor do ciclo otimizado, ou seja, todas as trocas de calor e

massa que ocorreram no absorvedor do ciclo otimizado agora ocorrem no pr-absorvedor, alm de todas as hipteses

feitas para o absorvedor do ciclo otimizado, agora valem para o pr-absorvedor. No entanto uma nova hiptese foi

adotada para o absorvedor, de que a sada do absorvedor seja lquido saturado, devido a ser a entrada da bomba.

Dessa forma a modelagem de todos os componentes a mesma feita para o caso do ciclo otimizado, necessitando-

se apenas a modelagem do novo absorvedor.

Assim sendo, para o prottipo os dados de entrada assumidos de acordo com a literatura foram os seguintes:

Temperatura na sada do absorvedor: T1= 40oC

Temperatura de condensao: T10= 40oC

Temperatura na sada do absorvedor: T1= 40oC

Temperatura de condensao: T10= 40oC

Temperatura de evaporao: T14= -10oC

Temperatura na sada do gerador: T7= 87oC

Carga trmica: Qevap= 17,6 kW

Eficincia da bomba: hb=0,85

Efetividade do trocador de calor: TC =0,95

Efetividade do retificador: ret =0,95

Efetividade do trocador do absorvedor: abs =0,95

Efetividade do gerador: abs =0,98

P1= P6=P13=P14=P15=P16 =Presso baixa

P2= P3=P4=P5=P7=P8=P9=P10=Presso alta

P11=P12=Presso intermediria

Condies Operacionais:

Ttulo na sada do absorvedor: q1= 0 (lquido saturado)

Ttulo na sada do absorvedor: q16= 0 (lquido saturado)

Ttulo na sada de soluo do gerador: q5= 0 (lquido saturado)

Ttulo na sada do gerador: q7= 1 (vapor saturado)

Ttulo no retorno para o gerador: q8= 0 (lquido saturado)

Ttulo na sada do retificador: q9= 1 (vapor saturado)

Ttulo na sada do condensador: q10= 0 (lquido saturado)

Ttulo na sada do evaporador: q14= 0,915

Frao mssica na sada do retificador: x9= 0,999634

Diferena de composio na recirculao do absorvedor: x1-x5=0,3

A temperatura do ponto 7 foi definida com base no estudo da bibliografia levantada e a temperatura do ponto 8 foi

escrita como uma combinao linear da temperatura no ponto 7 (sada do gerador) e a temperatura no ponto 9 (sada do

retificador), conforme a Eq. (38), onde o coeficiente de ponderao.

978 )1( TTT (44)

Atravs da anlise dos exemplos apresentados na literatura, o programa implementado utilizou 0,5.

6.2. Resultados

A Tabela (1) apresenta o COP do sistema de refrigerao, bem como as taxas de troca de calor nos componentes

obtidas na simulao.

Tabela 1. Coeficiente de desempenho e taxas de troca de calor nos componentes

0,6121 -0,0148 28,72 28,14 16,88 3,41 0,0801

7. Estudo do Gerador

Com o intuito de obter um melhor rendimento no acionamento do gerador foi feito um estudo das possveis

alternativas, dentre elas Vapor de gua, leo quente, Produtos de combusto e Queima direta.

Para o estudo do gerador consideramos em equilbrio trmico, ou seja, desprezamos as variaes de temperatura no

seu interior.

Para o clculo das trocas de calor para a determinao da vazo mssica em cada caso algumas hipteses foram

adotadas.

Primeiramente, a temperatura de sada dever ser ligeiramente superior temperatura mxima do gerador, para

garantir que o gerador receba calor. Conseqentemente, a temperatura de entrada dever ser maior que a temperatura de

sada, porm esta dever ser informada por quem for fazer a simulao, de acordo com a especificao e regulagem do

queimador.

Para os clculos utilizamos os resultados obtidos na simulao do prottipo. Dessa forma, j possumos como dado

de entrada o Qgerreal, ou seja, a quantidade de calor necessria pelo Gerador.

Assim sendo, para o caso das alternativas; leo Quente, Produtos de Combusto ou Queima direta, utilizamos a

equao 46 para a determinao da vazo mssica em cada caso, onde o Cp dever ser informado por quem estiver

fazendo a simulao de acordo com a alternativa adotada.

(46)

Para o clculo da vazo mssica para alternativa vapor de gua utilizamos a equao 47.

(47)

8. Discusso

Foi feita a simulao de 4 ciclos de absoro, partindo-se de um ciclo simples at um ciclo mais complexo com

trocas de calor contra corrente. Partindo-se de um ciclo simples foi se adicionando novos componentes e fazendo-se

mudanas a fim de melhorar o COP do ciclo, e com esse processo pudemos ver como cada novo componente ou nova

alterao influa no ciclo.

Em um ultimo momento foi feito um estudo das possibilidades de acionamento do gerador, seja por Vapor de gua,

por utilizao de leo Quente, Queima Direta ou utilizao dos Produtos de Combusto. Vimos que possvel avaliar

qual se adqua melhor atravs do seu Cp e condies de entrada, ou seja, do queimador, possibilitando verificar a vazo

em cada caso do combustvel.

O estudo dos ciclos de refrigerao por absoro conduz discusso das possibilidades de otimizao. A elevao

do coeficiente de desempenho de ciclos de absoro pode ser atingida atravs de ciclos de mltiplos efeitos. Tambm a

utilizao da tecnologia GAX consiste em uma interessante alternativa, simplificando os sistemas de dois estgios e

duplo-efeito de forma a obter desempenhos consideravelmente elevados. O COP deste ciclo otimizado comparado com

o do ciclo anterior cerca de 140% maior.

COP kW

Q abs

]kW[

Qger

]kW[

Q real,ger

]kW[

Q cond

]kW[

Q ret

]kW[

Wbr

9. Concluses

Foi feito o estudo de um ciclo de refrigerao por absoro gua-amnia com uma configurao simples com

capacidade de 17,6 kW. Desta partiu-se para melhoria deste ciclo a fim de se obter um melhor coeficiente de

desempenho. Esta melhoria foi feita em 4 etapas, primeiramente inseriu-se um retificador, em um segundo momento foi

feito a insero de um trocador contra corrente a uma presso intermediria do ciclo, alm do uso do conceito GAX no

absorvedor e gerador, onde o calor rejeitado em um aproveitado no outro. Em um ultimo momento foi inserido no

ciclo um pr-absorvedor, porm observou-se que no houve melhorias no ciclo com esta alterao.

Com este estudo realizado em etapa foi possvel verificar a influncia de cada componente no ciclo, bem como ver

como alteraes nele pode alterar o seu rendimento. Verificou-se a importncia do uso do retificador, dos trocadores de

calor, bem como o conceito GAX foram importantes para que o coeficiente de desempenho fosse elevado em relao ao

ciclo simples. Em um ltimo momento foi feito o estudo das alternativas de acionamento do gerador, possibilitando avaliaras possveis influncias em cada escolha.

O uso do software EES tambm foi de grande importncia ao passo que facilitou muito os clculos e permitiu uma

rpida modificao dos ciclos determinando os estados termodinmicos de cada ponto, o COP de cada um bem como

todas as trocas de calor. Com isso foi possvel fazer muitas anlises e comparaes entre as diversas configuraes dos

ciclos.

10. Referncias

HEROLD, K.E.; RADERMACHER, R.; KLEIN, S.A. Absorption Chillers and Heat Pumps. New York: CRC Press,

1995. 329p.

KUEHN, T.H.; RAMSEY, J. W.; THRELKELD, J.L. Thermal Environmental Engineering. Upper Saddle River,

EUA: 3 ed.Prentice-Hall, 1998. 740p.

STOECKER, J. G.; JONES, J. W. Refrigerao e Ar Condicionado. So Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1985. 481p.

WYLEN, G.J.V; SONNTAG, R.E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da Termodinmica. So Paulo: EDGARD

BLUCHER LTDA, 2006. 577p.

Srikhirin, pongsid; Aphornratana, Satha; Chungpaibulpatana, Supachart. A review of absorption refrigeration

technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2001. 30p.

RODRIGUES, S. A. de O. Modelagem de um Ciclo de Refrigerao por Absoro de Amnia. 2005. 46p. Trabalho

de Formatura Escola Politcnica, Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade de So Paulo, So Paulo, 2005.

SISEA. Laboratrio de Sistemas Energticos Alternativos. So Paulo: EPUSP, Departamento de Engenharia

Mecnica, 2007. Disponvel em: .

Peres Ortigosa, A. S. Modelagem, simulao e otimizao de um ciclo comercial de produo de gua gelada por

absoro de amnia. 2007. 66p. Trabalho de Formatura Escola Politcnica, Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade de So Paulo, So Paulo, 2007.

10. Direitos autorais

O autor o nico responsvel pelo contedo do material impresso includo neste trabalho.

MODELING AND SIMULATION OF A PROTOTYPE LABORATORY OF A REFRIGERATION CICLE BY

AMMONIA-WATER ABSORPTION

Felipe Canineo Preter [email protected]

Abstract. This report is a modeling and a simulation of a laboratory cooling cycle by ammonia absorption. The simulations will be

performed on the software EES - Engineering Equation Solver an important way to solve thermodynamic problems. At first, this report presents simple models of absorption - refrigeration cycles and the results of these simulations are in agreement with the

literature. At second, this report has considered modifications in the cycle configuration in order to optimize this one and improve the

COP. This modifications refers to an rectifier, heat transfers and GAX knowledge until get the prototype. Finally will be done a

study about the steam generator actuation alternatives, which are water vapor, hot oil, products of combustion and direct burning.

Keywords. refrigeration (computational simulation), ammonia, thermodynamic.

modelagem e simulação de um sra

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