UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Refrigeração Solar: Uma Proposta para a

Refrigeração de Leite no Semi-Árido Nordestino

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM

ENGENHARIA MECÂNICA

Autor: Ricardo Fiorenzano de Albuquerque Orientador(a): Prof.ª Ana Rosa Mendes Primo,PhD Co-orientador: Prof. José Maurício Gurgel, Dr

RECIFE, 14 DE MARÇO DE 2005.

A345 Albuquerque, Ricardo Fiorenzano de

Refrigeração solar: uma proposta para a refrigeração de leite no Semi-Árido Nordestino / Ricardo Fiorenzano de Albuquerque. – Recife: O Autor, 2005.

xvi, 95 f. : figs., gráfs., tabs. Inclui bibliografia e anexos.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Depto. de Engenharia Mecânica. DEMEC, 2005.

1. Engenharia Mecânica. 2. Refrigeração - adsorção. 3. Energia solar.

4. Imagem termográfica. I. Título. 621.56 CDD (21 ed.) UFPE/BCTG/2005-29

III

“... e nunca ficará pronta nossa edição convincente...” Carlos Drummond de Andrade

IV

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho a minha família.

V

AGRADECIMENTOS

À minha família, representada pelos meus pais Edelson Xavier de Albuquerque e Maria Teresa Fiorenzano, por tantas coisas que levaria uma vida inteira para contar. À Profª Ana Rosa Mendes Primo e ao Prof. José Maurício Gurgel, pela maneira sincera e fraterna com que me orientaram durante a elaboração desse trabalho e com a qual eu tenho o maior orgulho de ter sido orientado. O nosso convívio contribuiu muito, sem dúvida, para o meu crescimento profissional e como ser humano. Ao Prof. Jorge R. Henríquez, pelas orientações valiosas para o desenvolvimento da simulação numérica. Ao Prof. Fábio Magnani pela orientação com relação às imagens termográficas. Ao Prof. Linhares pela orientação com relação ao manuseio do Datataker. Ao BNB pelo financiamento do projeto Refrigeração Solar de Leite (edital ETENE/FUNDECI 2001). Ao Dr. Rogério Klüppel por oferecer as instalações da Solar Tech para construção do protótipo do refrigerador solar. À Universidade Federal de Pernambuco, nos seus diversos departamentos, especialmente aos colegas do Departamento de Engenharia Mecânica e dos colegas de curso de Mestrado em Engenharia Mecânica, pelo apoio recebido durante o meu trabalho. À Coordenação do Aperfeiçoamento de Pessoal de Ensino Superior - CAPES, pelo apoio financeiro através da bolsa e auxílio ao longo do curso e do período de execução do trabalho. Um dos grandes prazeres da vida é ter a oportunidade de agradecer as pessoas que colaboram, que são gentis, que reconhecem o empenho, que atendem ou que criticam.

VI

RESUMO

Um dos produtos tradicionais do agreste pernambucano é o leite. Por oferecer uma

bacia leiteira estável, Pernambuco atraiu uma grande indústria leiteira para esta região, aumentando a necessidade de refrigeração nas linhas de captação do leite, já que muitos fornecedores da bacia leiteira são pequenos produtores sem recursos de refrigeração.

Segundo informações da Companhia de Eletrificação de Pernambuco (CELPE), Pernambuco é o estado do Nordeste com mais alto índice de eletrificação rural. Entretanto, segundo dados da própria companhia, essa eletrificação é oferecida na forma monofásica, apenas suficiente para propósitos de iluminação e para pequenas potências, não sendo suficiente para máquinas de refrigeração. Por outro lado, o Nordeste brasileiro, é altamente favorecido em termos de energia solar. Projetos que unam a necessidade de refrigeração com a disponibilidade de energia solar podem contribuir para o desenvolvimento da região Nordeste.

Deste modo, o objetivo maior do presente projeto foi analisar as condições de funcionamento do refrigerador solar com a finalidade de resfriar leite, construído através de financiamento do BNB, na UFPE, o qual funcione sem a presença de energia elétrica. Esse dispositivo funciona através da adsorção sólida, com o par frigorífico sílica gel – água e utiliza a energia solar como fonte de energia. A análise foi procedida através de medições de temperatura ao longo do dia (24 horas de trinta em trinta minutos) no reator, condensador e evaporador do refrigerador solar, utilizando termopares tipo K ligados a um datalogger e a um microcomputador. Foram desenvolvidas e discretizadas equações que descrevem os fenômenos de transferência de calor e posteriormente implementadas em uma ferramenta computacional.

VII

ABSTRACT

Milk is one of the most traditional products in the semi –arid region of state of Pernambuco, located in the northeast of Brazil. By offering a constant production of milk, Pernambuco has attracted a large dairy industry for this region, increasing the necessity of refrigeration in the lines of captation of milk, since many suppliers of the milk basin are small producers without refrigeration resources. According to information of the Company of Electrification of Pernambuco (CELPE), Pernambuco is the northeast state with higher index of agricultural electrification. However, according to data of the proper company, this electrification is, in the great totality of the cases, offered in the single-phase form, only enough for intentions of illumination and small powers, not being enough for refrigeration machines. On the other hand, the Brazilian Northeast, highly is favored in terms of solar energy. Projects that join the necessity of refrigeration with the availability of solar energy can contribute for the development of the Northeast region. In this way, the objective biggest of the present project was to analyze the conditions of functioning of the solar coolant with the purpose to cool milk, constructed through financing of the BNB, in the UFPE, which works without the presence of electric energy. This machine works through the solid adsortion, with the refrigerating pair silica gel - water and uses the solar energy as power plant. The analysis were made by measurements of temperature along the day (24 hours in steps of thirty minutes) in the reactor, condenser and evaporator of the solar refrigerator, using thermocouples of type K connected into a datalogger and a microcomputer. Equations had been developed and discretizated to describe the phenomena of heat transference and later implemented in a computational tool.

VIII

SIGLAS E SÍMBOLOS

A Substância Adsorvente

AB Composto formado pela relação adsorvente/adsorvato Ap Área da placa (m2)

Aaamb Área de troca térmica entre a água (adsorvato) e o ambiente (m2) Acond Área do condensador (m2) AaLe Área de troca térmica entre a água (adsorvato) e o leite (m2) Aaamb Área de troca térmica entre o leite e o ambiente (m2)

α Coeficiente de dilatação volumétrica do sorbato, ( K-1 ) B Substância Adsorvato Cp Calor específico da placa a pressão constante (J / KgK) Cc Calor específico do condensador a pressão constante (J / KgK) CLe Calor específico do leite (J / KgK)

COP Coeficiente de Performance ε Emissividade espectral G Energia livre de Gibbs H Entalpia (J)

LH Calor latente do sorbato à temperatura do sorvente ( J / Kg ) HLc Calor latente de condensação (J/kg) hcond Coeficiente de convecção do condensador (W/m2K)

hc Coeficiente de contato térmico da interface metal /adsorvente (W/m2K) HLe Calor latente de evaporação (J/kg) mac Massa de água condensada no sistema (kg) mae Massa de água evaporada no sistema (kg); MLe Massa de leite (kg) AGEVAPM Massa de água evaporada no sistema Mc Massa do condensador (kg) Ma Massa de água (Kg) Ms Massa de sílica (Kg)

n, K e Wo

Constantes dependentes do par adsortivo, neste caso sílica-gel e água

P Pressão absoluta(kPa) PL Pressão do leito(kPa) Pc Pressão de condensação(kPa) Pe Pressão de evaporação(kPa) Ps Pressão de saturação(kPa)

ρ(TL) Massa específica do sorbato (kg/m3) pρ

Massa específica da placa(Kg/m3)

Lρ massa específica do leito (Kg/m3)

stq Entalpia de sorção( J / Kg ) Q Calor proveniente da radiação solar (W/m2) Qs Calor de sorção (W)

Qútil Calor que é utilizado no evaporador para resfriar o leite R Constante Universal dos Gases (J/kgK) S Entropia (J/K) Ta Temperatura da água de refrigeração do condensador(K);

IX

SIGLAS E SÍMBOLOS

Tc Temperatura do condensador (K) Tle Temperatura do leite(K) T Temperatura(K) TL Temperatura do leito(K) Tp Temperatura da placa(K) TM Temperatura máxima(K) Tm Temperatura mínima(K)

Tamb Temperatura ambiente (K) tpoh Tempo em horas

τ Transmitância da atmosfera Tobj Temperatura do objeto

Tfonte Temperatura de um corpo negro Uale Coeficiente de troca térmica entre a água (adsorvato) e o leite (W/m2K)

ULeamb Coeficiente de troca térmica entre o leite e o ambiente (W/m2K) Ufonte Sinal de saída da câmera Uaamb Coeficiente de troca térmica entre a água (adsorvato) e o ambiente

(W/m2K) Ug Coeficiente global de perdas térmicas do coletor solar (W/m2K) Ut Perdas pela parte superior Ub Perdas pela parte inferior Vp Volume da placa (m3) VL Volume do leito (m3) χ Concentração de sorbato no sorvente (kg/kg) W Potência de radiação θ Tempo (s) λi Condutividade térmica do isolante do fundo do coletor(W/mK) σ Constante de Stefan Boltzmann xθ

∂∂

Variação da concentração do adsorvato no adsorvente com o tempo

X

FIGURAS

CAPÍTILO 1.0 – INTRODUÇÃO Figura 1.1 - Diagrama do refrigerador de Tchernev 03 Figura 1.2 – Água Adsorvida: Dependência da temperatura e da pressão 04 Fig. 1.3 - Multiplicação das bactérias no leite em um intervalo de 96 horas após a ordenha

13

CAPÍTULO 2.0 - PRINCÍPIOS DA REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO SÓLIDA

Figura 2.1 – Diagrama de Clayperon 17 Figura 2.2 – Esquema simplificado para um processo de adsorção sólida 20 Figura 2.3 – Aquecimento e aumento da pressão, com condensação do vapor 20 Figura 2.4 – Aquecimento e aumento da pressão, com condensação do vapor e acúmulo de líquido

21

Figura 2.5 – Resfriamento e diminuição da pressão (efeito frigerífico) 21 Figura 2.6 – Retorno do processo às condições iniciais 22 Figura 2.7 – Esquema de um ciclo de refrigeração por compressão 23 Figura 2.8 – Aquecimento e pressurização 23 Figura 2.9 – Aquecimento e dessorção + condensação 24 Fig. 2.10 - Refrigeração e despressurização 24 Fig. 2.11 - Refrigeração e adsorção + evaporação 25

CAPÍTULO 3.0 – REFRIGERADOR SOLAR Figura 3.1 - Coletor plano multitubular utilizado no refrigerador solar

27Figura 3.2 - Estrutura interna de um dos tubos do coletor, contendo pelotas de sílica gel

28

Figura 3.3 - Tubo de colecção, localizado na extremidade superior do coletor 28Figura 3.4 - Cobertura do coletor, composta por abas móveis de vidro 29Figura 3.5 - Sílica gel utilizada 30Figura 3.6 - Vista superior da estrutura tubular do condensador, já acondicionada no tanque

30

Figura 3.7: Tanque de aço inoxidável, onde foi acondicionada a estrutura tubular do condensador

31

Figura 3.8 - Recipiente de líquido, composto por tubo de aço inox, vedado nas extremidades

32

Figura 3.9 - Válvula para controlar a passagem de água 32Figura 3.10 – Evaporador 33Figura 3.11 - Sistema de entrada e saída para o leite no evaporador 34Figura 3.12 – Representação do ciclo de um refrigerador solar adsortivo 35Figura 3.13 - Pontos de medição de temperatura nos tubos coletores. Os termopares foram fixos à parede dos tubos com fita isolante e com massa de calafetar

36

XI

FIGURAS

CAPÍTULO 3.0 – REFRIGERADOR SOLAR

Figura 3.14 - Ponto de medição de temperatura localizado na metade do tubo central do coletor. Termopar 2

37

Figura 3.15 – Sistema de aquisição de dados conectado aos dois termopares e ao microcomputador, localizados na UFPE

37

Figura 3.16 - Poço de coleta de temperatura no condensador. 38 Figura 3.17 - Poço de coleta de temperatura no evaporador. 38 CAPÍTULO 4.0 – ANÁLISE TEÓRICA DE UM REFRIGERADOR SOLAR

Figura 4.1 - Esquema do refrigerador de leite solar adsortivo construído na UFPE 39Figura 4.2 - Esquema para modelagem do reator 41Figura 4.3 - Definição do ponto B 49Figura 4.4 - Definição do ponto D 50Figura 4.5 – Curva de adsorção do reator 51 CAPÍTULO 5.0 – ANÁLISE TERMOGRÁFICA

Figura 5.1 - Espectro eletromagnético 58Figura 5.2 Emitância radiante espectral do corpo negro 59Figura 5.3 – Emitância radiante espectral de três tipos de radiadores 59Figura 5.4: Temperatura do objeto a partir da saída da câmera 60Figura 5.5 – Imagem termográfica do coletor plano 62Figura 5.6 – Coletor solar com abas sem a cobertura de vidro 63Figura 5.7 - Imagem termográfica do condensador 63Figura 5.8 - Imagem termográfica do evaporador 64Figura 5.9 – Imagem termográfica apresentada pela figura 5.9, mas com um diferente palet

65

CAPÍTULO 6.0 – RESULTADOS E DISCUSSÃO Figura 6.1 - Gráfico (Q x Tempo) realizado a partir de dados gerados pelo programa

68

Figura 6.2 - Gráfico (Ln(Pl) X Temp. Leito) realizado a partir de dados gerados pelo programa

69

Figura 6.3 - Gráfico (Temp. Leito x Tempo) realizado a partir de dados gerados pelo programa

70

Figura 6.4 - Gráfico (Pressão do Leito x Tempo) realizado a partir de dados gerados pelo programa

71

Figura 6.5 - Gráfico (Concentração x Tempo(h)) realizado a partir de dados gerados pelo programa

71

Figura 6.6 - Gráfico (Concentração x Temperatura(K)) realizado a partir de dados gerados pelo programa

72

XII

Figura 6.7 - Gráfico (Temp. Leito x Tempo) realizado a partir de dados experimentais coletados no LES/UFPE (Laboratório de Energia Solar da UFPE)

73

Figura 6.8 - Gráfico contendo três curvas sendo duas a partir de dados experimentais e a outra, a amarela, foi gerada a partir da simulação numérica

74

FIGURAS

ANEXOS Figura A.1 – Curva de Aferição do termopar 1. 84Figura A.2 – Curva de Aferição do termopar 2 84Figura A.3 da aferição dos termopares utilizando um recipiente isolante contendo água e gelo

85

Figura A.4 da aferição dos termopares utilizando uma garrafa térmica contendo água quente

85

Figura A.5 da aferição dos termopares para mediadas de temperatura ambiente 86Figura A.6 do datataker utilizado para coletar os dados e leva-los ao micro computador

86

Figura A.7 Tela de apresentação do programa 90Figura A.8 Ferramenta de cálculo 91Figura A.9 Definição da inclinação do coletor 91Figura A.10 Definição do modelo de radiação coletada 92Figura A.11 Resultados da radiação coletada em um plano inclinado 15º na direção norte

93

XIII

TABELAS

CAPÍTILO 1.0 – INTRODUÇÃO Tabela 1.1 – Composição do leite 12Tabela 1.2 – Evolução bacteriana no leite 12 CAPÍTULO 6.0 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

Tabela 6.1 – Dados utilizados na simulação numérica 66Tabela 6.2- Dados de medições de temperatura no protótipo do refrigerador solar 74

ANEXOS Tabela A.1 - Termopares ligados a uma garrafa térmica contendo água e gelo 82Tabela A.2 - Termopares ligados a uma garrafa térmica contendo água na temperatura ambiente

82

Tabela A.3 - Termopares ligados a uma garrafa térmica contendo água quente 83Tabela A.4 - Comparação entre as temperaturas lidas pelos termopares e lidas através de Termômetro padrão

83

Tabela A.5 - Dados da Sílica gel 87

XIV

EQUAÇÕES

CAPÍTULO 2.0 - PRINCÍPIOS DA REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO SÓLIDA Equação 2.1 – A reação padrão de sorção. 18Equação 2.2 – Diferença de entalpia. 18Equação 2.3 – Diferença de entropia. 18Equação 2.4 – Energia livre de Gibbs 18Equação 2.5 – Lei da ação das massas 18Equação 2.6 – Entalpia função da temperatura e deiferença de entropia. 19 CAPÍTULO 4.0 – ANÁLISE TEÓRICA DE UM REFRIGERADOR SOLAR Equação 4.1 – Equação de Dubinin 39Equação 4.2 – A relação de Clapeyron 40Equação 4.3 –A entalpia de sorção 41Equação 4.4 – Balanço de energia na placa 41Equação 4.5 –Polinömio do calor solar 42Equação 4.6 – O coeficiente global de perdas térmicas 42Equação 4.7 – Razão entre a condutividade térmica do isolante do fundo do coletor λi e sua espessura Li

42

Equação 4.8 – Coeficiente de perdas pela parte superior 42Equação 4.9 – Concentrassão em função das massas 43Equação 4.10 –Coeficiente do leito 43Equação 4.1 1– Balanço no leito 43Equação 4.1 2– Calor de sorção 43Equação 4.1 3– Variação da concentração do adsorvato no adsorvente com o tempo

44

Equação 4.1 4– Balanço global no leito 44Equação 4.1 5– Balanço no condensador 44Equação 4.1 6– Balanço no adsorvato 45Equação 4.1 7– Balanço no leite 45Equação 4.1 8– COP 46Equação 4.1 9– Calor útil 46Equação 4.20– Massa de água evaporada 46Equação 4.21– Pressão de saturação 47Equação 4.22– Pressão de saturação função da temperatura do leito 50Equação 4.23– Equação discretizada da temperatura da placa 51Equação 4.24– Equação discretizada da temperatura do leito 51Equação 4.25– Coeficiente do leito 52Equação 4.26– A entalpia de sorção 52Equação 4.27– Pressão do leito discretizada 52Equação 4.28– Temperatura do leito 52Equação 4.29– Variação da concentração com o tempo 52Equação 4.30– Temperatura do evaporador 52Equação 4.31– Temperatura do leite 53 CAPÍTULO 5.0 – ANÁLISE TERMOGRÁFICA

XV

Equação 5.1 – Sinal de saída da câmera 60Equação 5.2 – Sinal de saída da câmera 61Equação 5.3 – Potência total da radiação recebida 61Equação 5.4 – Tensão de saída calculada da câmera 61

XVI

SUMÁRIO

RESUMO V ABSTRACT VI SIGLAS E SÍMBOLOS VIIFIGURAS IX TABELAS XIIEQUAÇÕES XIIISUMÁRIO XV

CAPÍTULO 1.0 INTRODUÇÃO

01

1.1 – Estado da Arte da Refrigeração Adsortiva Solar 02 1.2 – Conservação do Leite 12 1.3 – Colocação do Problema 14 1.4 – Estrutura do Trabalho 15

CAPÍTULO 2.0 PRINCÍPIOS DA REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO SÓLIDA

16

2.1 – Adsorção Sólida 16 2.1.1 – Energia de Adsorção 16 2.2 – Ciclo de Refrigeração Adsortivo 20 2.2.1 – Comparação Entre Ciclos de Refrigeração Adsortiva e por Compressão

23

CAPÍTULO 3.0 – REFRIGERADOR SOLAR

26

3.1 – Componentes do Protótipo 27 3.2 – Funcionamento do Refrigerador 34 3.2.1 – Descrição do Ciclo 34 3.3 – Medições no Protótipo 36 CAPÍTULO 4.0 – ANÁLISE TEÓRICA DE UM REFRIGERADOR SOLAR

39

4.1 - Modelagem Matemática de um Refrigerador Solar 39 4.1.1 - Cálculo do Ciclo Termodinâmico para o Reator Adsortivo 47 4.2 - Análise Numérica de um Refrigerador Solar

51

CAPÍTULO 5.0 – ANÁLISE TERMOGRÁFICA 58 5.1 – Perfil de Temperatura Através de Câmeras Infravermelho 58 5.2 – Imagens Termográficas do Refrigerador Solar 62 5.2.1 – Reator 62 5.2.2 – Condensador 63 5.2.3 – Evaporador 64 CAPÍTULO 6.0 – RESULTADOS E DISCUSSÃO 66

6.1 – Resultados e Discussão da Simulação Numérica 66

XVII

6.2 – Resultados e Discussão das Medições no Protótipo 73 CAPÍTULO7.0 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

76

7.1 – Conclusões 76 7.2 – Sugestões para Trabalhos Futuros 77 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 78 ANEXOS 82 Anexo 1 – Aferição de Termopares 83 Anexo 2 – Tabela de Dados da Sílica Gel 88 Anexo 3 – Atlas Solarimétrico do Brasil 91 Anexo 4 – Datasheet da Câmera Infravermelho 95

1

CAPÍTULO 1.0 - INTRODUÇÃO

O Nordeste Brasileiro é um local geográfico favorecido com a presença natural de

várias formas de recursos renováveis. Dentre esses recursos, encontra-se a energia solar, que é uma forma não poluente de energia renovável. Não é tão evidente que a energia solar possa ser associada à refrigeração. Entretanto, processos de adsorção sólida vêm sendo utilizados para possibilitar o efeito frigorífico e produzir refrigeração movida a energia solar.

O refrigerador solar, alvo do presente projeto, utiliza o princípio da adsorção sólida, baseado no par frigorífico sílica-gel/água, e é adequado às necessidades de pequenos produtores rurais de leite, usando como fonte de captação de energia um coletor solar plano.

Para se aumentar a produção leiteira, pode ser utilizado o sistema de duas ordenhas, que permite um aumento de até 60% na produção de leite bovino. Entretanto, esse processo requer resfriamento para evitar acidificação do leite no intervalo entre a primeira e a segunda ordenha. Entretanto, a maioria das pequenas propriedades rurais do Nordeste não dispõe de eletrificação ou recebe energia na forma monofásica ou simplesmente não possui recursos para a compra de equipamentos de refrigeração. Isso causa desvalorização do produto, pela baixa da qualidade em cerca de metade da sua produção leiteira diária.

O uso de um sistema de refrigeração independente de eletricidade, robusto e funcionando com recursos energéticos locais poderia contribuir para a melhoria da qualidade do leite produzido pelo pequeno produtor rural do Nordeste.

Diretrizes do Ministério da Agricultura (outubro/2000) requerem refrigeração do leite no próprio local de produção, o que será crítico para os estados do Nordeste do Brasil. Segundo dados do mesmo órgão, cerca de 400 milhões de litros de leite são desperdiçados por ano, devido ao problema de refrigeração. Assim sendo, são justificados os esforços para equipar uma pequena propriedade produtora de leite com um sistema de refrigeração para seu produto, especialmente quando a fonte de energia é ecologicamente correta e economicamente viável para as condições que a cercam, como a falta de eletricidade. Há também os benefícios sociais de manter o trabalhador na atividade leiteira.

2

1.1 – ESTADO DA ARTE DA REFRIGERAÇÃO ADSORTIVA SOLAR

Faraday, em 1848 foi um dos primeiros a descrever os princípios adsortivos em

ciclos de bombas de calor (PONS M., 1997). No início do século 20, muitos se interessaram na utilização da energia solar, porém os investimentos eram direcionados às tecnologias de aquecimento da água e do ar. As pesquisas na área de processos de resfriamento utilizando energia solar cresceram bastante após o ano de 1965. Durante a primeira crise do petróleo, em 1973, o sistema de ar condicionado foi considerado um luxo, além de desnecessário. As atenções estavam voltadas para o aperfeiçoamento no design e na eficiência do sistema de refrigeração e não em uma investigação dele como um novo sistema (PRIDASAWAS W.,2003).

O resfriamento solar foi testado em várias localidades durante os anos cinqüenta.

Em Tashkent, antiga USSR no ano de 1953, um espelho parabólico foi usado para regeneração. Trombe instalou várias máquinas de refrigeração solar após 1956. No ano de 1958 ele instalou um chiller (resfriador de água)movido a energia solar em Brisbane, Austrália. No ano de 1966, em Queensland, na Austrália, uma casa solar foi testada, incluindo um chiller solar (ZIEGLER F., 1998).

Em 1969, Critoph e Vogel mediram as propriedades adsortivas que a zeolite-5A,

zeolite-13X e o carvão ativado possuem, ao serem utilizados em pares com os seguintes refrigerantes orgânicos: R11, R12, R22 e R114, para que fossem empregados na área de resfriamento solar. O melhor COP (0,2) foi registrado com a combinação carbono ativado - R22 (CRITOPH RE., 1969).

Em 1978, Tchernev observou que um mineral natural chamado de Zeolite possuía

uma grande capacidade de adsorção de vapor de água quando resfriado e ao contrário, quando aquecido, a zeolite liberava (dessorvia) o vapor de água, constatando assim uma grande oportunidade de sua utilização em sistemas de refrigeração (TCHERNEV, 1978).

Em 1979, Tchernev fabricou e testou em Londres, na Inglaterra, um refrigerador

adsortivo com o par zeolite-água movido à energia solar. O coletor solar continha 5cm de espessura e 50 kg de zeolite por metro quadrado. Para 6kWh de captação de energia solar, o refrigerador produziu 900 Wh de frio por metro quadrado de área do coletor. Com um coeficiente de performance (COP) de 0,15. A Figura 1.1 mostra o esquema do diagrama do seu refrigerador (TCHERNEV, 1980).

3

Figura 1.1 - Diagrama do refrigerador (TCHERNEV, 1980). No entanto, em vários países, a quantidade de zeolite encontrada é insuficiente.

Conseqüentemente, peneiras moleculares 13X de zeolite, facilmente manufaturadas, passaram a ser comumente usadas como adsorventes.

Em 1982 na cidade de Jerusalém, foi posto em debate, pelo Instituto Internacional

de Refrigeração, o trabalho de Dupont M, Guilleminot JJ, Menuier F, Nguyen P., que investigaram dois refrigeradores adsortivos com o par zeolite13X – água, movidos à energia solar: um com o condensador resfriado por água e o outro por ar. Os resultados foram: o refrigerador com condensador resfriado a água obteve COP variando acima da faixa 0,04 – 0,14 com uma produção de gelo na faixa de 3,71 – 8,14 kg por metro quadrado de coletor. Para o refrigerador resfriado a ar, obteve-se COP de 0,10 com produção de gelo de 7,0kg/m2 (DUPONT M, 1982).

Em 1983 Kluppel e Vodianitskaia obtiveram a primeira patente nacional de uma

geladeira solar de adsorção sólida (.KLÜPPEL,R.P, 1983) Em Szokolay, 1984, Grenier Ph, Guilleminot JJ, Mester M, Meunier F, Pons M.

construíram uma grande câmara de frio com 12 m3 utilizando somente a combinação de energia solar e o par zeolite13X–água. Os grãos do adsorvente foram distribuídos em 24 coletores do tipo chapa plana cada um com 0,83 m2 de área. Foram atingidas temp0eraturas no evaporador tão baixas quanto 2,5ºC, o que corresponde a um COP de 0,086. Mostrou-se assim que não houve um ganho expressivo na tecnologia devido ao tamanho, podendo então, esta ser adaptada em refrigeradores de pequeno, médio ou grande porte (GUILLEMINOT JJ, 1984).

Ainda em 1984, Exell RHB et al. publicaram estudos mostrando que a quantidade

de água adsorvida pela Zeolite é fortemente dependente da temperatura e fracamente dependente da pressão de vapor, como pode ser visto na Figura 1.2 (EXELL RHB, 1984).

4

Figura 1.2 – Água Adsorvida: Dependência da temperatura e da pressão (EXELL

RHB, 1984). Sadoka e Suzuki em 1984 construíram e testaram, em escala laboratorial, sistemas

fechados de refrigeração adsortiva utilizando o par sílica gel – água. Os refrigeradores consistiam de: um reator contendo tubos tipo “T” usados como leito adsortivo, um condensador, um evaporador, uma lâmpada infravermelha e uma bomba de vácuo. Com este experimento ficou clara a viabilidade técnica e experimental dos refrigeradores adsortivos (SADOKA, 1984).

Em 1985, a World Health Organisation (WHO) fez um requerimento para a

refrigeração solar no seu Programa Expandido de Imunização, devido à importância da conservação das vacinas em lugares remotos onde não há eletricidade, como é o caso das clínicas do Terceiro Mundo que se localizam na zona rural (PRIDASAWAS W.,2003).

Ainda no ano de 1985 E. Passos, F. Munier e J.C. Gianola publicaram um artigo

sobre o melhoramento da performance de um refrigerador solar adsortivo utilizando o par carbono ativado/metanol. Os estudos foram direcionados para a medição e comparação das propriedades termodinâmicas de três combinações de carbono/metanol, além de uma discussão sobre as possibilidades e limitações do ciclo. O experimento consistiu em um cilindro de aço com 0,4m de altura e 0,09m de diâmetro contendo 2,8 litros de carbono ativado. O cilindro era aquecido por um elemento cilíndrico interno e uma resistência externa, além de possuir um bom isolamento superficial. Um segundo cilindro, agora de vidro e marcado, foi usado como reservatório do metanol e permitiu a leitura do volume a ser adsorvido. O processo de regeneração do carbono ativado é feito por uma bomba de difusão por 48 horas, a 120 ºC. A regeneração do metanol é feita através da evaporação e condensação, usando uma bomba de vácuo e uma armadilha de nitrogênio. Passos mostrou que a representação Dubinin-Astakhov é validada pelos dados experimentais com precisão suficiente, podendo ser usada na simulação de ciclos de refrigeração. De acordo com seus cálculos e medições, Passos também concluiu que o uso do par LH/metanol resultou numa melhor performance do ciclo, logo em seguida veio o par AC35/metanol e por último o PKST/metanol (PASSOS E., 1986).

Pons M, Guilleminot JJ.J publicaram em 1986 estudos realizados em um

refrigerador solar adsortivo que usava o par carbono ativado-metanol. O sistema consiste em: reator equipado com quatro coletores solares totalizando uma área de exposição de 6m2 contendo 130 kg de adsorvente, dois condensadores resfriados pelo ar

5

e um evaporador com uma produção de 30-35 kg de gelo por dia ensolarado (PONS M.,1986).

No ano seguinte, em 1987, Pons M. e Guilleminot JJ.J publicaram um artigo

contendo dados de análises experimentais relativos ao refrigerador solar adsortivo que usava o par carbono ativado-metanol. As análises mostraram que quando os raios solares incidiram entre 16 – 19 MJ/m2, o coeficiente de performance (COP) da máquina solar de gelo ficou entre 0,10 – 0,12. Eles concluíram ainda que sua performance poderia ser melhorada reduzindo o calor sensível no evaporador e aumentando o resfriamento dos coletores (PONS M.,1987).

Nesse mesmo ano, Critoph Re. construiu, em pequena escala, um refrigerador

solar adsortivo que utilizava o par carbono ativado - R114 para produzir 3000kJ de frio. O coletor era composto por nove tubos de aço de parede fina 700 X 1mm2 contendo 24,2 kg de carbono ativado, com uma área plana de 1,02 m2. O condensador era resfriado pelo ar e ficava conectado ao coletor pela parte de baixo. Os resultados foram insatisfatórios, haja vista o refrigerador só ter conseguido baixar da temperatura ambiente de 30 oC para 13oC. Ele concluiu então que as perdas dentro do sistema consumiram o frio necessário para produção de gelo. Outro problema também era o uso do R114, grande destruidor da camada de ozônio (CRITOPH Re.,1987)

Em setembro desse mesmo ano Exell RHB, Bhattacharya SC, Sridha K,

Upadhyaya YR e Wibulswas P.A apresentaram um trabalho sobre um refrigerador solar adsortivo usando o par carvão-metanol no Congresso Mundial de Energia Solar, em Hamburgo na Alemanha. Seu reator foi construído com 15 tubos de cobre de 50 mm de diâmetro e 1,2 m de comprimento com uma área efetiva de 1m2. Eles continham 17,8 kg de carvão ativado 207E3, produzido pela Sutcliffe Speakman Carbons Ltd., Inglaterra. O condensador era resfriado por água e possuía 0,35m2 de área de transferência de calor. Havia também um recebedor de líquido e o evaporador que foram construídos como uma única unidade toda isolada. Os testes mostraram que o reator possuía eficiência variando entre 33% e 44%, e durante dias ensolarados foram registradas temperaturas de 122 oC. O COP solar obtido variou entre 0,10 e 0,123. As temperaturas atingidas no evaporador durante as noites foram abaixo de -7 oC, com algumas noites chegando abaixo de -12 oC. O refrigerador era capaz de produzir 4kg de gelo após um dia ensolarado (EXELL RHB.,1987)

Ainda em 1987, Kluppel RP e Gurgel JM., construíram no Brasil dois protótipos

de sistemas de refrigeração adsortiva, com o par sílica gel-água movidos apenas pela energia solar. Um dos protótipos era um pequeno refrigerador doméstico e o outro um bebedouro com água gelada. Ambos protótipos utilizavam um coletor solar ou gerador, composto de cilindros metálicos (tubos de cobres) justapostos, com o interior preenchido por um leito de grânulos de adsorvente, tendo a região central oca. Estes tubos foram ligados a um manifold que fazia a ligação do gerador com o condensador. Para o protótipo do pequeno refrigerador doméstico foi obtido um coeficiente de performance (COP) de 0,055, com o evaporador atingindo temperaturas abaixo de 277 K. Já o coeficiente de performance (COP) obtido pelo bebedouro de água gelada, foi de 0,077, com o evaporador atingindo temperaturas abaixo de 285 K (KLUPPEL R.P.,1987).

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Data de 1989 um artigo escrito por R.E. Critoph com o título: Ciclos Adsortivos com Carbono Ativado utilizados para refrigeração e bombas de calor. Neste trabalho foram revistos os ciclos termodinâmicos junto com os possíveis refrigerantes que formam pares adsortivos com carbono ativado, além de dados experimentais p-T-x para amônia e metanol, usados como refrigerantes, com vários tipos de carbonos ativados com diferentes porosidades. Critoph concluiu que ciclos adsortivos utilizando carbono ativado como adsorvente são de grande utilidade para pequenos refrigeradores, principalmente para refrigeradores solares usados na estocagem de vacinas. Os refrigerantes que proporcionaram ao ciclo os melhores desempenhos foram o metanol e a amônia com COPs respectivamente de 0,5 e 0,4. O autor percebeu também a grande influência que as características da porosidade do carbono ativo possuem sobre o desempenho dos refrigeradores. Por fim, foi proposto o uso de ciclos semi-contínuos, que poderiam duplicar a performance do sistema (CRITOPH Re.,1989).

Em 1993 Phillip SK, Singhal AK, Rao CS, Mohan S e Sootha GD, construíram

um refrigerador que continha como coletor solar uma placa plana. Este operava intermitentemente com o par zeolite13X-água. O sistema consistia em um coletor solar do tipo caixa, com uma área superficial de 0,25 m2 contendo aproximadamente 5kg de adsorvente, um condensador esfriado por água com uma área de transferência de calor de 0,4 m2, um evaporador de bronze com capacidade para 2 litros e válvulas de diafragma para isolar os componentes. Através de testes de campo realizados na Índia nos períodos diurnos e noturnos, foram obtidos 3% de dessorção e uma temperatura máxima do ciclo de 130 oC. Com a produção de 1kg de gelo durante o período noturno, foram observadas temperaturas de -8 oC no evaporador (PHILLIP SK, 1993).

Um sistema de refrigeração adsortivo movido à energia solar, utilizando amônia

como refrigerante e operando com ciclos intermitentes foi apresentado pela empresa alemã Dornier-Deutsch Aerospace em 1993. Esta desenvolveu seis protótipos com a intenção de submetê-los a diferentes condições. Os resultados dos testes indicaram que a vaporização da amônia teve início após o reator ser pré-aquecido à cerca de 1 kWh/m2. A fase de aquecimento do reator pela insolação teve seu fim quando foram atingidos 5,5 kWh/m2, vaporizando uma quantidade de amônia que correspondeu a 1,8 kWh de frio, ou seja, aproximadamente 20 kg de gelo. A relação entre a produção de frio e a energia solar foi definida como eficiência e ficou próxima de 15%. A temperatura teórica de geração variou entre 75 e 90 oC. A temperatura de condensação variou entre 25 e 30 oC, com a temperatura do ambiente aproximadamente de 20 oC. Quando o processo inverso iniciou-se (dessorção), a temperatura da amônia abaixou para menos de 0 oC no evaporador, produzindo gelo e mantendo o recipiente do evaporador entre 1 e 3 oC o dia inteiro.

Ainda em 1993, encontra-se um trabalho desenvolvido por Critoph relativo à

construção em escala laboratorial de um refrigerador adsortivo utilizando o par carbono ativado-amônia. O reator possuía uma área superficial (de exposição solar) de 14 m2 e foi construído com 15 tubos de aço, cada um com dois metros de comprimento, 42 mm de diâmetro externo e 1,1 mm de espessura, impostos a uma pressão de 30 bar. Foram colocados 17 kg de grãos de carbono-ativado a 208 ºC. O condensador foi construído com um tubo de aço em espiral com 4 metros de comprimento e 12,5 mm de diâmetro dentro de um tanque de 100 litros de água. Já o evaporador foi construído com um tubo de aço em espiral de 10 mm de diâmetro imerso em 4 litros de água. O COP solar foi de 0,04 com o reator apresentando uma temperatura pico de 115 °C. O refrigerador

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produzia em média 3 kg de gelo por dia com uma temperatura no evaporador chegando a -1 °C (CRITOPH RE.,1993).

Em 1994 Headley OStc, Kothidwala AF, McDoom IA construíram um

refrigerador solar adsortivo utilizando o par carvão ativado – metanol que possuía em seu reator um refletor cilíndrico-parabólico usado para concentrar o calor dos raios solares no leito adsortivo. O reator foi construído com tubos de cobre medindo 2,44 metros de comprimento. Os tubos continham 2,6 kg de carvão ativado 207E3 e eram ligados a um condensador resfriado a ar, a um reservatório de líquido e ao evaporador com capacidade de 1,2 litros. O refrigerador produzia 1 kg de gelo com a temperatura do evaporador de -6 0C e um COP solar na ordem de 0,02. A temperatura máxima atingida no ciclo foi de 154 0C em um dia em que a radiação solar no ambiente era de 26,8 MJ/m2 (HEADLEY OSTC., 1994)

Em 1998, Antônio Pralon e Michel Daguenet apresentaram um trabalho sobre a

performance de uma nova máquina de gelo por adsorção sólida com regeneração pela energia solar. O reator adsortivo acoplado ao coletor solar consiste em uma série 13 tubos com 76mm de diâmetro nominal e 1m de comprimento postos lado a lado totalizando uma área de 1m2 de coleta. 3,7 litros de carbono ativado ocupam, por tubo, o espaço anular entre a superfície frontal do coletor e o tubo axial com 33mm de diâmetro formado por uma rede metálica por onde o refrigerante flui. O condensador é composto por um tubo de cobre na horizontal com 50mm de diâmetro e 600mm de comprimento, contendo 11 aletas quadradas de 150mm de lado, equivalente a uma área de 0,55m2 de transferência de calor. O tubo é então submerso em um recipiente isolado, aberto, contendo 80 litros de água. O evaporador é composto por oito tubos interconectados com 50mm de diâmetro e 500mm de comprimento, cada tubo possui duas aletas postas longitudinalmente com 25mm de largura. O volume total distribuído neles é de 7,6 litros, correspondendo a uma capacidade máxima de adsorção de 300g/kg de carbono ativado. A temperatura máxima de regeneração do leito adsortivo atingida foi de 115ºC em dezembro para o sistema com material isolante transparente. Pralon notou que há uma pequena variação na temperatura do meio poroso, sendo de no máximo 5ºC, tanto para o período noturno quanto para o diurno. Durante seis meses de estudo, o ciclo teve início por volta de 5:30 da manhã, a condensação começou por volta de 9:30 da manhã e teve duração de 5 horas para o sistema com cobertura. A formação de gelo teve início às 18:20 horas durando um tempo médio de solidificação de 11 horas. As temperaturas mínimas e máximas foram verificadas respectivamente em março e dezembro, 62ºC e 67ºC, as temperaturas absolutas máximas foram 105ºC e 115ºC. A produção de gelo relativa a esses meses variou de 7 a 10 kg/m2 dia. Com relação aos COPs, estes foram calculados para os meses de março (mínimo) e dezembro (máximo) 0,124 e 0,155 respectivamente e o COP médio para os seis meses foi de 0,13 (PRALON A.,2000).

Em 11 de Novembro de 1999 L. Z. Zhang propôs um novo modelo dinâmico

matemático em 3-D para a transferência de calor e de massa em um leito adsortivo de um ciclo intermitente de refrigeração adsortivo. Para a validação do modelo foi construído um refrigerador adsortivo utilizando como energia o vapor que estava sendo desperdiçado por outra máquina no laboratório. O reator é formado por tubos de 0,8 metros de comprimento e o fluido que promove o aquecimento ou resfriamento percorre o gerador pelos tubos internos que possuem 12 aletas simetricamente soldadas ao longo de suas superfícies externas (para facilitar a transferência de calor). Os tubos externos são isolados na sua superfície. Foi utilizado como adsorvente partículas de Zeolite 13X

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postas entre os tubos e com uma rede metálica como invólucro. O condensador e o evaporador são trocadores de calor do tipo tubos de parede fina. O modelo matemático incluiu quatro sub-modelos: transferência de calor no fluido refrigerante ou aquecedor, transferência de calor nos tubos de metal, transferência de calor nas haletas e transferência de calor e de massa no adsorvente. Os resultados mostraram que o modelo proposto por Zhang prevê bem a resposta dinâmica do sistema adsortivo comparado com os dados experimentais. Ele também pode ser utilizado como ferramenta para otimização de sistemas de refrigeração adsortivos movidos à energia solar (ZHANG L. Z., 2000).

Um refrigerador solar adsortivo foi construído e testado em maio de 1999 em

Ouagadougou, Burkina-Faso. F.Buchter, Ph.Dind e M.Pons foram os autores do artigo, que descreve o funcionamento desta máquina, aceito em 14 de março de 2002 pela Elsevier Science Ltd. O refrigerador é formado basicamente por três componentes: coletor/adsorvedor/reator, condensador e evaporador. O coletor foi posto no teto do prédio do Centro Ecológico Albert Schweitzer em Ouagadougou com um ângulo de 14,2º e os outros componentes no andar baixo do teto para evitar a insolação direta. O reator possui área total de 2 m2 e é formado por doze tubos com 70 mm de diâmetro externo e 1 mm de espessura preenchidos com 40 kg de carbono ativado AC40, CECA. Além disso, cada um dos tubos possui outro concêntrico no seu interior com 10 mm de diâmetro, este porém, é perfurado para permitir a passagem do vapor de metanol. Na parte superior do coletor existe um vidro e na inferior uma malha com 30 mm de lã de vidro servindo como isolante pela parte da manhã. Esta malha possui um mecanismo para que ela possa ser aberta quando o processo de adsorção se inicia, entre 13:00 e 14:00 horas, para facilitar o resfriamento do coletor. O condensador é resfriado pela convecção natural com o ar, é formado por sete tubos paralelo medindo 2 m de comprimento cada. Possui uma área efetiva de troca de calor de 6 m2 . O condensador garantiu uma diferença de temperatura com relação ao ambiente abaixo de 10 K. O evaporador consiste em 8 tubos com 50 mm de diâmetro externo em paralelos soldados nas pontas a outro tubo na transversal que serve como manifold. O evaporador é submerso em um tanque de 40 L de água. Durante a evaporação do metanol, uma parte desta água se transforma em gelo, que age como uma cabine fria permitindo que esta continue com 5 ºC no dia seguinte, além de possuir um período teórico de 3 dias com baixa irradiação. A cabine fria possui um volume disponível de 440 L é do tipo caixa e foi bem isolada com uma camada de 150 mm de poliestireno expandido. A única válvula necessária é localizada entre a garrafa graduada, logo após o condensador, e o evaporador. Os resultados apresentados foram: A diferença de temperatura entre o condensador e o ambiente foi sempre menor que 5 K. O evaporador permaneceu a 0º, ou abaixo, o dia inteiro. O COP definido foi: a razão entre o calor total retirado pela evaporação do metanol e a irradiação incidente no reator. Os valores dos COPs obtidos foram similares a outros já relatados em diversos trabalhos, entre 0,08 e 0,13 (BUCHTER F., 2003).

Wang e Li apresentaram em 2001 um estudo detalhado dos efeitos do coletor e

dos parâmetros ambientais na performance de um refrigerador solar adsortivo. O leito adsortivo ou coletor foi construído a partir de chapas de alumínio em formato de caixa com uma folha de vidro servindo como tampa, tanto a parte superior quanto inferior do coletor possuem ventilação para ajudar no processo de adsorção. O leito foi preenchido com grãos de carbono ativado, separados por várias aletas de alumínio, afixadas em contato com a parte frontal e o adsorvente, com a intenção de aumentar a transferência

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de calor. Foram utilizados dois coletores, cada um com 0,75 m2, para este refrigerador. Os parâmetros construtivos analisados foram: o material das chapas do coletor e sua emissividade, a quantidade de adsorvente, as aletas, o número de folhas de vidro, a condutividade térmica, a densidade do empacotamento dos grãos adsorventes. No processo de análise paramétrica dos efeitos sobre o refrigerador, as condições ambientais foram consideradas constantes e a intensidade solar foi medida em Shanghai, 26 de abril de 1999. Com relação às aletas, foi mostrado que existe um gradiente de temperatura alto entre a parte de cima e de baixo do adsorvente e entre as aletas. Das simulações e experiências elaboradas, foi definida uma distância máxima entre o topo e a base do coletor de 5cm. Horizontalmente, foi constatado que quanto mais próximo da aleta maior a temperatura. Ou seja, para aumentar a transferência de calor no leito, é preciso aumentar o número de aletas, porém existe um efeito negativo, o calor sensível desperdiçado. Existe então, um número ótimo de aletas, a serem postas no leito adsortivo. A resistência térmica de contato entre os grãos adsortivos e a superfície de metal é outro parâmetro que foi levado em consideração. Os resultados das análises mostraram que se o valor da resistência térmica de contato diminuir cinqüenta por cento, o COP e a massa de frio (gelo) produzida aumentam trinta por cento. Quanto à condutividade térmica do adsorvente, foi apontado que quando ela cresce, há um aumento expressivo da massa de refrigerante dessorvido, da massa de gelo produzida e do COP do refrigerador. E para que isso aconteça, esferas metálicas podem ser adicionadas ao leito. Com relação à densidade do empacotamento dos grãos adsortivos, foi mostrado que para este caso, o valor do COP aumentou em 15% e da massa de gelo 20% quando a densidade do empacotamento dos grãos adsortivos foi aumentada de 400 para 900 m3. Também foi apresentado que o uso de folhas duplas de vidro e de material seletivo de revestimento ajuda fortemente na melhoria das características do refrigerador. Os efeitos do ambiente sobre o refrigerador que foram levados em conta foram: Intensidade da radiação solar, temperatura de condensação e evaporação. Após várias simulações, ficou claro que com o aumento da intensidade solar o COP também cresce, porém há um valor máximo (12 MJ/m2). Existe também um valor mínimo de intensidade solar (11 MJ/m2) para que haja produção de gelo. A performance do refrigerador solar também é bastante influenciada pelas temperaturas de condensação e evaporação. Foi constatado que com uma temperatura de condensação abaixo de 20ºC o COP excede 0,15 e a produção de gelo chega a 10 Kg. É preferível então a utilização de água para refrigeração do condensador. O uso de refrigerantes (metanol) torna possível uma temperatura de evaporação abaixo de 0ºC. O que significa perda de rendimento, pois quanto mais baixa esta temperatura, pior serão as características do refrigerador (WANG e LI, 2001).

Baseados na nova idéia de um ciclo combinado de aquecimento e refrigeração,

R.Z. Wang , Y.X. Xu, J.Y. Wu, M. Li, H.B. Shou construíram e testaram um sistema híbrido aquecedor de água e refrigerador movidos à energia solar em 2001 na Universidade de Jiao Tong, China. Com este trabalho foi mostrado que só é necessário um coletor solar unificado tanto para aquecimento de água, quanto para refrigeração, o que é bastante razoável para o uso de uma família. Com relação à parte construtiva, o aquecedor solar de água e o refrigerador adsortivo são conectados a um único tubo por onde flui o refrigerante. O adsorvedor é imerso em um tanque de água. Sendo assim necessário o uso de coletores solar de alta eficiência, como os do tipo tubos evacuados. O sistema apresentou boa eficiência do uso da energia solar, aproveitando o calor

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sensível e o calor adsortivo para aquecer a água de banho dentro do tanque (WANG R.Z. , 2001).

C.H. Li, R.Z. Wang , Y.J. Dai foram os autores do artigo aceito em fevereiro de

2002 pela Elsevier Science Ltd com o seguinte título: Simulação e análise econômica de refrigerador solar adsortivo usando um tubo evacuado como isolante térmico. Este artigo apresentou uma análise e simulação detalhada da transferência de calor em um coletor adsortivo solar (Zeolite/água), utilizado para refrigeração, formado por tubos de vidro concêntricos contendo um canal metálico central por onde passa o vapor de água e um canal médio de resfriamento. Os estudos relacionados com a distribuição de temperatura dentro dos tubos evacuados mostraram que os gradientes são muito altos tanto na direção radial como entre a sua parte inferior e superior. E são bem inferiores na direção circunferêncial. O motivo principal para isso é que o coeficiente de transferência de calor do adsorvente, 0,102 W/(mK), é pequeno e a direção da luz solar muda com o tempo. Foram apresentados resultados de simulações em sete tubos com diferentes diâmetros. A distância entre os centros de dois tubos adjacentes era quatro vezes o raio de cada e o diâmetro do canal de resfriamento foi de 20mm. Ficou constatado que quanto maior o diâmetro, menor seriam as temperaturas mínimas e médias, porém a temperatura máxima começou a tender a ser constante com um diâmetro de 70mm que também apresentou um COP e uma capacidade de refrigeração máximos de respectivamente 0,255 e 4377kJ/m2. O efeito da distancia entre dois tubos adjacentes também foi estudado. As conclusões foram: a capacidade de resfriamento é sensível a esta distância que atinge o seu máximo quando ela for o dobro do diâmetro, porém a temperatura média máxima só começa a ser fortemente influenciada quando a distância é menor que duas vezes e meia o diâmetro. Também foi analisado o efeito da quantidade de massa de adsorvente na performance do sistema. Foi mostrado que para um dado diâmetro de tubo, as melhores performances acontecem quando o diâmetro do canal de resfriamento é aproximadamente igual ao diâmetro menos 40mm. O que significa que a espessura ótima do adsorvente foi de 15mm. COP é o parâmetro mais utilizado para se medir a performance de um refrigerador, sendo inclusive uma boa medida com relação à economia, porém só para casos de refrigeradores movidos à energia elétrica ou a óleo. Para o caso de refrigeradores à luz solar, um novo parâmetro foi criado: SPA - Solar powered Adsorption (adsorção movida à energia solar). Definido como: SPA= Qf/(CxA), onde Qf representa a capacidade de resfriamento, C é o custo total por unidade de área e A é a área do adsorvedor. Utilizando o SPA como parâmetro, quanto maior o diâmetro externo dos tubos evacuados, mais econômico será o sistema, a espessura ótima do adsorvente seria agora 5mm e a distância ótima entre o centro de dois tubos adjacentes seria agora 2,5 vezes o diâmetro do tubo externo (WANG R.Z., 2002).

Em 17 de fevereiro de 2003, a Energy Conversion and Management aceitou um

trabalho desenvolvido na Universidade de Tecnologia da Nigéria por Anyanwu e Ezekwe com o seguinte título: Projeto, construção e testes de um refrigerador solar adsortivo utilizando o par carbono/metanol como adsorvente/adsorvato. O sistema consiste basicamente em três partes: coletor/gerador/reator, condensador e evaporador. O coletor tem uma área efetiva de exposição de 1,2 m2. Cada placa do reator solar foi construída com folhas de aço galvanizado 22G e pintadas com tinta óleo preta. Este possui ainda seis tubos de aço com 1640 mm de comprimento, cada um com 60,33 mm e 52,5 mm de diâmetro externo e interno respectivamente. Cada tubo possui outro fixado no seu interior coaxialmente com 21,34 mm e 15,8 mm de diâmetro externo e

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interno respectivamente. Os tubos internos foram dotados de furos com 2 mm de diâmetro, espaçados axialmente de 30 mm. A perfuração foi feita de maneira alternada sendo quatro furos por circunferência. Cada espaço anular entre os tubos internos e externos foi preenchido com 1,4 kg de carbono ativado AC-35 fornecido pela CECA, França. Assim a malha de tubos junto com a placa coletora foi inserida em uma caixa de aço galvanizado 16G contendo vidro na parte superior e um isolamento na parte inferior. Os processos de resfriamento do adsorvente ou adsorção do refrigerante são ambos pela convecção natural do ar sobre os tubos e placas coletoras, facilitados pela remoção manual da caixa coletora. O coletor/gerador/reator foi inclinado de 7º para Nsukka, Nigéria. O refrigerante flui por gravidade para o condensador que é constituído de um tubo de aço em espiral com 4,78 m de comprimento e diâmetros interno e externo respectivamente de 15,8mm e 21,34 mm. Este tubo em espiral permanece dentro de um tanque de 350 litros de água. O condensado passa então para um cilindro de aço galvanizado tipo 16G chamado de recebedor de líquido que se encontra na posição vertical. Nele foi afixado um recipiente de vidro graduado com função de indicar a quantidade de condensado produzido. O evaporador foi construído a partir de um tubo de cobre em espiral com diâmetros interno e externo respectivamente de 0,9mm e 12,7 mm e comprimento de 1,62 m imerso em um vaso de aço cilíndrico com diâmetro externo de 260mm e 400mm de altura contendo 3 litros de água. O sistema conseguiu produzir água gelada a 1ºC o que já é o suficiente para utilizá-lo em condicionamento de medicamentos, frutas e verduras.Porém a eficiência do coletor foi baixa (11,6 - 16,4%), podendo ser melhorada com a substituição do material dos tubos por materiais mais leves como alumínio. A escolha do material para o coletor deve ser com um material com baixa emissividade e alta absortividade. Foi atingida uma performance de 595,25 – 992,67 kJ/m2 por dia e melhor resfriamento obtido por dia foi de 266,75 kJ/m2. O aproveitamento do ciclo e os COPs em geral ficaram respectivamente entre 0,056 – 0,093 e 0,007 – 0,015. Ou seja, apenas 10% da energia coletada pelos grãos de carbono ativado e 2% da energia solar incidente foram efetivamente convertidas em refrigeração. Os resultados apresentados no trabalho foram satisfatórios indicando a viabilidade de refrigeradores solar adsortivos com o par carbono/metanol, principalmente nas regiões tropicais (ANYANWU,2003).

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1.1 – CONSERVAÇÃO DO LEITE O Ministério da Agricultura brasileiro estabelece parâmetros para a produção e a

comercialização do leite, além de parâmetros de qualidade para esse produto, através da “Inspeção Industrial e Sanitária do Leite e seus derivados”. Segundo portaria recente do Ministério da Saúde, deve-se refrigerar o leite no local de produção, para que seja mantida a qualidade do produto.

A composição do leite, segundo Pontes 1998, está apresentada na Tabela 1.1: Tabela 1.1 – Composição do leite (PONTES C.F.,1998).

Substâncias Percentagem

ÁGUA 86,5 a 89,5%

CASEÍNA 2,5 a 3,5%

ALBUMINA 0,4 a 0,6%

LACTOSE 4,2 a 5,2%

SAIS cerca de 0,7%

GORDURAS 2,8 a 4,2%

ÁCIDO CÍTRICO cerca de 0,25%

SUBSTÂNCIAS NITROGENADAS cerca de 0,20%

FOSFÁTIDOS cerca de 0,05%

ENZIMAS, VITAMINAS, ESTERINAS traços

SUBSTÂNCIAS SECAS 8,0 a 10,0%

SUBSTÂNCIA SECA TOTAL 10,5 a 13,5%

Considera-se leite normal o produto que apresenta: 1- Teor de gordura mínimo de 3% 2- Acidez em graus dornic entre 15 e 20 3- Densidade a 15 ºC entre 1028 e 1033 kg/m3

4- Lactose de 4,3% 5- Extrato seco desengordurado – mínimo 8,5% 6- Extrato seco total – mínimo 11,5% 7- Índice crioscópico numérico – 0,55%

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8- Índice refratométrico no soro lúprico a 20ºC não inferior a 37º Zeiss. Após a ordenha, o leite encontra-se a uma temperatura de 36ºC, propícia ao

desenvolvimento da flora microbiana, podendo acarretar uma acidificação espontânea devido ao desdobramento da lactose em ácido lático provocado principalmente pelo Streptococus lactis, dentre outros germes presentes no leite como as bactérias coliformes, esterococos, estafilococos e outros que afetem o padrão de qualidade do leite. A figura 1.3 mostra a tendência de aumento do número de bactérias no leite em função da temperatura:

Fig. 1.3 - Multiplicação das bactérias no leite em um intervalo de 96 horas após a ordenha (PONTES C.F.,1998). A Tabela 1.2 mostra a comparação da evolução bacteriana com o tempo, no leite,

medida mantendo-se duas temperaturas constantes: 10ºC e 22ºC. Tabela 1.2 – Evolução bacteriana no leite (PONTES C.F.,1998).

BACTÉRIAS POR CENTÍMETRO CÚBICO DE LEITE

TEMPERATURA MANTIDA INÍCIO APÓS 6 hs APÓS 12 hs APÓS 24 hs APÓS 48 hs

10ºC 10 12 15 41 62

22ºC 10 17 242 6128 3574990

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Portanto, seja para atender a padrões de qualidade ou simplesmente para manutenção da saúde de indivíduos que ingerem leite, necessita-se refrigerar o produto. 1.2 – COLOCAÇÃO DO PROBLEMA

Segundo o IBGE, através de seu censo agropecuário 1995-1996, existem em Pernambuco 186.669 propriedades rurais com menos de 10 hectares, e 61.672 propriedades com área entre 10 e 100 hectares. De um total de 258.630 propriedades rurais presentes no estado de Pernambuco, 163.471 não possuíam energia elétrica no censo de 1995-1996 (IBGE, 1995).

Segundo a CELPE, ao longo de doze anos do Programa de Eletrificação Rural em

Pernambuco, foram desenvolvidas ações para a eletrificação de 206.735 propriedades, com investimentos da ordem de R$ 250 milhões, beneficiando aproximadamente, 1.033.000 pessoas nas diversas regiões rurais do Estado. Portanto, o total de propriedades eletrificadas cresceu 1100% nos 12 anos do programa, passando o Estado de Pernambuco a contar, em 1999, com 70% de suas propriedades rurais eletrificadas.

A CELPE também forneceu dados sobre a distribuição dos consumidores rurais,

considerando o tipo de ligação por grupo:

Grupo A ( Alta Tensão ) Trifásico - 255 Unidades Consumidoras; Grupo B ( Baixa Tensão ) Trifásico - 16.243 Unidades Consumidoras; Bifásico - 35 Unidades Consumidoras;

Monofásico - 62.841 Unidades Consumidoras;

Através da análise dos dados expostos, verifica-se que, embora Pernambuco possua um alto índice de Eletrificação Rural, a grande maioria das propriedades recebe alimentação elétrica na forma monofásica, prestando-se para iluminação e eletrodomésticos que requerem baixa potência, insuficiente para máquinas de refrigeração de potência mais elevada usadas na conservação do leite, entre 5 e 10ºC, durante o período de ordenha.

Com o intuito de prestar uma contribuição para o uso da energia solar em

processos frigoríficos e ao mesmo tempo atender a uma necessidade regional de conservação de um produto do agreste nordestino, foi proposto o uso de refrigeradores adsortivos que funcionem à energia solar. Para tal, adotou-se um refrigerador solar por adsorção sólida, que possui configuração semelhante a um modelo já usado e testado em trabalhos desenvolvidos no Laboratório de Energia Solar (LES) da Paraíba (KLÜPPEL e GURGEL, 1988). O par adsortivo escolhido foi sílica-gel e água em função da temperatura de conservação do leite, baixo custo, simplicidade no manuseio e principalmente pelo fato de usar um refrigerante não poluente, a água. Foi elaborado um estudo das principais características termodinâmicas, incluindo coleta de dados

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experimentais no campo e simulação numérica visando à uma futura implementação desta tecnologia em Pernambuco.

1.3 – ESTRUTURA DO TRABALHO Esta dissertação está dividida em 7 capítulos listados abaixo: O capítulo 1, introdução, esta dividido em 4 partes: O estado da arte, ou revisão

literária da refrigeração adsortiva solar; a conservação do leite, mencionando como deve ser procedida e quais os possíveis problemas acarretados pela má conservação deste produto; colocação do problema, abordando a proposta deste trabalho que corresponde ao uso de refrigeradores solares adsortivos para a conservação do leite. A quarta parte refere-se à própria estrutura do trabalho.

O capítulo 2 aborda os princípios da refrigeração por adsorção sólida levando em

conta a definição de adsorção sólida e energia de adsorção, além de explicar a termodinâmica do ciclo de refrigeração por adsorção sólida fazendo uma comparação entre este ciclo e um ciclo de compressão.

O capítulo 3 descreve o protótipo do refrigerador solar utilizado neste trabalho,

explicando seu funcionamento, descrevendo o seu ciclo termodinâmico e mostrando como foram coletadas as medições experimentais.

O capítulo 4 faz uma análise teórica de um refrigerador solar adsortivo,

apresentando sua modelagem matemática e o cálculo de um ciclo termodinâmico para o reator adsortivo, além de uma análise numérica.

O capítulo 5 são apresentadas algumas imagens termográficas retiradas do

refrigerador adsortivo solar, objeto do presente trabalho. O capítulo 6 apresenta os resultados obtidos experimentalmente e daqueles

conseguidos através de uma simulação numérica do refrigerador. O capítulo 7 apresenta as conclusões e sugestões para trabalhos futuros. Em seqüência seguem as referências bibliográficas e os anexos.

16

CAPÍTULO 2.0 – PRINCÍPIOS DA REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO SÓLIDA

Para um melhor entendimento dos princípios da refrigeração por adsorção sólida,

apresenta-se neste capítulo uma breve explanação sobre o fenômeno da adsorção sólida, funcionamento de um ciclo de refrigeração por adsorção e sua comparação com um ciclo por compressão.

2.1. – ADSORÇÃO SÓLIDA

O uso de sólidos para remover substâncias das soluções gasosas ou líquidas é considerável, desde épocas bíblicas. Este processo, denominado adsorção, é um processo reversível pelo qual uma molécula fluida é fixa em uma matriz contínua, tipicamente uma superfície ou um material poroso. Ou seja, é a separação de uma substância de uma fase acompanhada por sua acumulação ou concentração na superfície de outra.

Um sistema é composto por um conjunto de fases. Cada fase do sistema é

considerada uma parte macroscópica, homogênea, distinta e que possui uma fronteira que pode ser separada mecanicamente de outras partes do sistema. A fronteira entre duas fases adjacentes é denominada de interface, a qual, quando delineada pelas medidas de concentração, possibilita o reconhecimento do fenômeno da adsorção. A interface é classificada como móvel (líquido-líquido, líquido-gás) e imóvel (sólido-gás, sólido-líquido e sólido-sólido), porém como o par adsortivo escolhido no presente trabalho foi sílica-gel e água, dá-se mais ênfase à interface sólido-gás (GOMES H.,1951).

Uma substância é adsorvida quando a concentração da substância na

região de fronteira é maior do que no interior da fase contínua. A definição de adsorção leva em conta apenas as medições de concentração e não os mecanismos. Uma substância se torna adsorvida por um processo de adsorção, ou acumulação na interface, ou seja, fixação de moléculas, ou átomos, de uma substância na superfície da outra.

Adsorvato é o nome dado à substância adsorvida e o adsorvente é a fase volumar - podendo ser sólida ou às vezes líquida – na fronteira onde ocorre à adsorção.

A adsorção ocorre na interface. As moléculas do adsorvato passam da fase para a interface, onde permanecem por um período de tempo. No processo reverso, as moléculas podem voltar para a fase de onde vieram, ou podem passar para outra fase. No equilíbrio, o número de moléculas entrando na interface, em um dado período de tempo, deve ser o mesmo número de moléculas que deixam a interface.

2.1.1 – ENERGIA DE ADSORÇÃO As forças de interação envolvidas no processo de adsorção variam entre

interações físicas tenazes, as forças de Van der Waals e as fortes ligações químicas. Logo, não existe uma força exclusiva que possa ser caracterizada como força de adsorção.

17

Todo processo de adsorção é exotérmico, pois quando a molécula é fixa,

libera alguma energia. O equilíbrio termodinâmico é, neste caso, divariante. Este equilíbrio divariante pode ser descrito pelo jogo de isósteres no diagrama de Clapeyron [(LnP) x (-1/T)], mostrado na Figura 2.1.

Figura 2.1 – Diagrama de Clayperon A adsorção envolve um decréscimo na energia livre do sistema. O

decréscimo da temperatura do sistema é chamado de calor de adsorção. A magnitude deste termo tem sido bastante utilizada como base para a classificação de processos de adsorção.

Processos onde as variações de energia são pequenas (da ordem dos calores encontrados na liquefação dos gases: 4,2 x 10-2 kJ/mol) têm sido classificados como de Van der Waals, ou adsorção física. Em contrapartida, processos onde as variações de energia são elevadas (da ordem dos calores encontrados nas reações químicas) são chamados de adsorção química.

Para se mensurar a adsorção ocorrida em interfaces sólido-vapor, considera-se a quantidade de substância adsorvida como a quantidade total de vapor que adere à interface sólida. Isto é usualmente determinado pelo cálculo da variação de pressão, ou concentração, da substância na outra fase entrando em equilíbrio com a fase sólida.

Assim os adsorventes são caracterizados primeiramente pelas propriedades de superfície tais como a área da superfície e a polaridade. Uma área de superfície específica grande é preferível para fornecer uma capacidade grande de adsorção, mas a criação de uma área de superfície interna grande em um volume limitado, causa inevitavelmente um grande número de poros, feitos sob medida entre as superfícies envolvidas na adsorção.

O tamanho dos micro-poros determina a acessibilidade das moléculas do adsorvato à superfície interna do adsorvente. Portanto, a distribuição de tamanho dos micro-poros é um outro importante parâmetro utilizado para caracterizar a capacidade de adsorção dos adsorventes.

A polaridade da superfície corresponde à afinidade entre as substâncias, tais como a água ou os álcoois. Deste modo, os adsorventes polares são chamados hidrofílicos. Os aluminosilicatos, tais como, zeolites, a alumina porosa, o gel de silicone ou o silicone-silica-alumina são exemplos dos adsorventes deste tipo.

Ln P

-1/T

L V Curva de saturação

Isósteres

Decremento da massa adsorvida

18

Por outro lado, os adsorventes não-polares são geralmente hidrofóbicos. Os adsorventes carbonáceos, os adsorventes de polímero e o silicalite são adsorventes não-polares típicos. Estes adsorventes têm mais afinidade com óleo ou hidrocarbonetos do que a água.

A equação de estado para sistemas adsortivos pode ser representada graficamente por isósteras, isotermas ou isóbaras, porém, a forma mais comum e prática de se representar dados relacionados à adsorção é na forma de isotermas, onde a quantidade específica da substância adsorvida (que pode ser em moles por grama de adsorvente, ou por unidade de área da interface) é plotada versus a concentração de equilíbrio da substância (GOMES C.H,1951)

A reação padrão de sorção ocorre a uma temperatura “T” e a uma pressão

“P” e pode ser representada como: AnBm ↔ nA + mB Eq. (2.1)

Onde no início, o composto AnBm possui uma entalpia Hi e uma entropia

Si. A partir da dissociação de um mol deste composto são produzidos n moles de A e m moles de B que possuem entalpia Hf e entropia Sf.

Com a temperatura e a pressão constantes, têm-se: ∆H = Hf - Hi , Eq. (2.2) ∆S = Sf - Si Eq. (2.3) A energia de formação ou energia livre de Gibbs à temperatura T de

reação é: ∆G° = ∆H - T∆S Eq. (2.4) O sentido da reação depende da lei da ação das massas e pode ser

analisada pela seguinte equação:

∆G° = R T AnBm

mB

nA

CCC ,ln

Eq. (2.5) Com R e T sempre positivos, o sinal da equação depende do logaritmo. Ou

seja, para se obter valores de ∆G° negativos, é necessário que o AnBm

mB

nA

CCC ,ln

seja

negativo, ou ainda que o valor de AnBmC (concentração do composto) seja maior que m

Bn

A CC , (concentração dos reagentes) denotando assim, uma tendência à formação do composto. Em contrapartida, para valores de ∆G° positivos, tem-se uma tendência de dissociação do composto.

19

O equilíbrio ocorre com ∆G° = 0, implicando em: ∆H = T ∆S. Eq. (2.6) Esta equação permite a determinação das temperaturas de reação. A

variação de entalpia significa calor absorvido ou rejeitado na reação, assim, se a reação for exotérmica ocorrerá a formação do composto e se a mesma for endotérmica, significaria uma tendência a dissociação do composto (PONTES C.F., 1998).

20

2.2 – O CICLO DE REFRIGERAÇÃO ADSORTIVO Ciclos de refrigeração adsortivos são baseados na adsorção de um gás

refrigerante por um adsorvente a baixa pressão e subseqüente dessorção pelo aquecimento. O adsorvente age como um “compressor químico” e funciona através de calor. Na sua forma mais simples, um refrigerador adsortivo consiste em dois vasos conectados, um contendo o adsorvente e os dois contendo o gás refrigerante.

Inicialmente, o sistema está à baixa pressão e temperatura, o adsorvente

contém uma grande quantidade de refrigerante na sua superfície e o outro vaso está com gás refrigerante como se vê na figura abaixo:

Figura 2.2 – Esquema simplificado para um processo de adsorção sólida. O vaso contendo o adsorvente (gerador) é então aquecido aumentando a

pressão do sistema e fazendo com que o refrigerante antes contido na superfície do adsorvente saia (dessorção) em direção ao outro vaso, este condensa rejeitando calor.

Figura 2.3 – Aquecimento e aumento da pressão, com condensação do

vapor.

21

Figura 2.4 – Aquecimento e aumento da pressão, com condensação do

vapor e acúmulo de líquido. Finalmente, o gerador é agora resfriado de volta à temperatura ambiente,

re-adsorvendo o refrigerante e baixando a pressão do sistema. Devido ao líquido contido no segundo vaso estar despressurizado e evaporando, ele absorve calor do meio envolvente, produzindo o efeito de refrigeração requerido.

Figura 2.5 – Resfriamento e diminuição da pressão (efeito frigorífico). No processo acima descrito o sistema retorna às condições iniciais,

descrevendo um ciclo (Figura 2.6).

22

Figura 2.6 – Retorno do sistema às condições iniciais. O ciclo é descontínuo, pois a refrigeração somente ocorre em metade do

tempo de duração do ciclo. Porém, dois ciclos podem ser operados fora de fase, proporcionando assim, uma refrigeração contínua (CRITOPH R.E., 1996).

23

2.2.1 – COMPARAÇÃO ENTRE CICLOS DE REFRIGERAÇÃO ADSORTIVA E POR COMPRESSÃO

A operação de ciclos de adsorção para refrigeração pode ser comparada

aos ciclos de compressão tradicionais.

Figura 2.7 – Esquema de um ciclo de refrigeração por compressão. Além disso, o ciclo de adsorção é basicamente um ciclo descontinuo de

quatro temperaturas. Uma unidade de adsorção consiste em um ou diversos adsorventes, um condensador e um evaporador, conectado às fontes de calor. O ciclo consiste em quatro períodos:

Aquecimento e pressurização: Durante este período, o reator isolado, contendo adsorvente e adsorvato

recebe calor. A temperatura do reator aumenta, o que induz a um aumento da pressão de evaporação até a pressão de condensação. Este período é equivalente à "compressão" em ciclos de compressão.

Figura 2.8 – Aquecimento e pressurização.

VÁLVULA DE EXPANSÃO

EVAPORADOR

COMPRESSOR CONDENSADOR

24

Aquecimento e dessorção + condensação: Durante este período, o reator continua recebendo o calor fazendo com que

sua temperatura aumente, induzindo a dessorção do vapor (adsorvato). Como o reator agora já está conectado ao condensador, este vapor atinge a pressão de condensação e se liquefaz no condensador. O calor da condensação pode ser dissipado no ar ou em um recipiente contendo certos fluidos refrigerantes, como a água. Ou então, o calor ainda pode ser reutilizado no processo. Este período é equivalente à "condensação" em ciclos de compressão.

Figura 2.9 – Aquecimento e dessorção + condensação Refrigeração e despressurização Durante este período, o reator começa a liberar calor para o ambiente. A

temperatura do adsorvente diminui, induzindo a diminuição da pressão de condensação até a pressão de evaporação. Este período é equivalente à "expansão" em ciclos de compressão.

Fig. 2.10 - Refrigeração e despressurização

25

Refrigeração e adsorção + evaporação Durante este período, a pressão do sistema é a de evaporação. O reator

continua liberando calor ao ser conectado ao evaporador que vaporiza o condensado, produzindo um efeito de refrigeração. A temperatura do reator continua diminuindo, induzindo a adsorção do vapor. Este período é equivalente à "evaporação" em ciclos de compressão.

Fig. 2.11 - Refrigeração e adsorção + evaporação Basicamente, o ciclo é intermitente porque a produção de frio não é

contínua, esta produção prossegue somente durante uma parte do ciclo. Quando há dois adsorventes na unidade, podem ser operados fora da fase e a produção fria é quase contínua. Quando toda a energia requerida para aquecer o adsorvente(s) é fornecida pela fonte de calor, o ciclo é denominado ciclo de único efeito. Tipicamente, para a refrigeração doméstica, o coeficiente do desempenho dos ciclos únicos de adsorção de único efeito encontra-se entre 0,3-0,4. Quando há dois adsorventes ou mais, outros tipos de ciclos podem ser processados. Em ciclos com regeneração de calor, algum calor é recuperado internamente entre os adsorventes, o que realça o desempenho do ciclo (PONS M.,Homepage)

26

CAPÍTULO 3.0 – REFRIGERADOR SOLAR O refrigerador solar utilizado neste trabalho foi projetado no GET – Grupo de

Engenharia Térmica – da UFPE – Universidade Federal de Pernambuco e executado na Solar Tech em João Pessoa, PB, pelo Dr. Rogério Klüppel que foi um dos pioneiros do uso da adsorção sólida no Brasil, com apoio financeiro do BNB – Banco do Nordeste.

Este refrigerador é composto por um reator, conhecido também como regenerador

ou coletor adsortivo, contendo pelotas de sílica-gel, um condensador, um recipiente que acumula o condensado, uma válvula globo e um evaporador.

27

3.1 – COMPONENTES DO PROTÓTIPO 3.1.1 – COLETOR PLANO MULTITUBULAR

O coletor foi formado por 20 tubos de cobre de 35mm de diâmetro externo, e comprimento de dois metros, com paredes de 1 mm de espessura, como mostra a Figura 3.1.

Figura 3.1 - Coletor plano multitubular utilizado no refrigerador solar. Os tubos são pintados com negro de fumo para aumentar a absortividade da

superfície. Cada tubo possui um tubo interno de 15 mm de diâmetro, concêntrico ao primeiro tubo mencionado. Este tubo de menor diâmetro é perfurado por orifícios circulares ao longo de todo seu comprimento. No interstício entre os dois tubos encontram-se pelotas de sílica gel, como pode ser visto na Figura 3.2. Os orifícios têm a função de permitir a passagem do vapor d’água entrando ou saindo da sílica gel.

28

Figura 3.2 - Estrutura interna de um dos tubos do coletor, contendo pelotas de

sílica gel. Os tubos do coletor foram interligados a um tubo central de cobre, localizado na

extremidade superior do coletor, como mostra a Figura 3.3.

Figura 3.3 - Tubo de conexão, localizado na extremidade superior do coletor.

29

Os tubos foram acondicionados em uma caixa de alumínio, a qual teve sua parte inferior isolada com uma manta de lã de vidro. A caixa de alumínio tem como cobertura superior duas folhas de vidro (Fig. 3.4), as quais podem se abrir como janelas, como indicado na Figura 3.4. Esse recurso foi pensado para melhorar o arrefecimento do coletor à noite e aumentar sua eficiência.

Figura 3.4 - Cobertura do coletor, composta por abas móveis de vidro. O coletor foi montado em uma estrutura metálica, de tal maneira a permanecer

inclinado de 15 graus, voltado para o norte, tal qual um coletor solar plano normal, instalado na latitude do Recife.

3.1.1.1 – Sílica Gel A sílica gel escolhida foi a de pelotas de 4-8 mm, fabricada pela Brazmo. A

Tabela A.2 (Anexo 2) mostra alguns dados da sílica, enquanto que a Figura 3.5 visualiza uma amostra da sílica utilizada no refrigerador solar.

30

Figura 3.5 - Sílica gel utilizada. 3.1.2 – CONDENSADOR Por razões de praticidade e visando uma futura fabricação em série, projetou-se

um condensador compacto (Figura 3.6), que pôde ser colocado abaixo do coletor, mergulhado em um tanque de aço inox, como mostra a Figura 3.7. Note-se que a estrutura de tubos deve trabalhar inclinada, para facilitar o escoamento da água condensada.O tanque foi então completado com água para o seu resfriamento.

Figura 3.6 - Vista superior da estrutura tubular do condensador, já acondicionada

no tanque.

31

Figura 3.7: Tanque de aço inoxidável, onde foi acondicionada a estrutura tubular

do condensador. 3.1.3 – RECIPIENTE DE LÍQUIDO O líquido condensado no condensador é coletado por um recipiente de líquido,

que é um tubo de aço inox de cinco polegadas de diâmetro e comprimento de um metro, como mostra a Figura 3.8. A água condensada durante o dia permanece no recipiente de líquido, pois o mesmo é vedado na parte inferior por uma válvula tipo esfera, como mostra a Figura 3.9. Quando o coletor não está mais tendo sua temperatura elevada, abre-se a válvula de vedação, permitindo que toda a água condensada escoe para o evaporador.

32

Figura 3.8 - Recipiente de líquido, composto por tubo de aço inox, vedado nas

extremidades.

Figura 3.9 - Válvula para controlar a passagem de água. 3.1.4 – EVAPORADOR O evaporador é um tanque cilíndrico de aço inox, possuindo parede dupla. No

interstício entre as paredes é armazenada a água que vem do condensador e que se evapora, causando o efeito de refrigeração.

O evaporador foi projetado para receber 20 litros de leite e tem o formato de um balde de coleta de leite, como mostra a Figura 3.10. O leite entraria no evaporador pela parte superior, que possui uma tampa, e seria descarregado pela parte inferior, por uma torneira, como mostra a Figura 3.11.

33

Figura 3.10 Evaporador Figura 3.11 - Sistema de entrada e saída para o leite no evaporador.

34

3.2 – FUNCIONAMENTO DO REFRIGERADOR 3.2.1 – DESCRIÇÃO DO CICLO

Um sistema deste tipo operando em ciclo fechado de adsorção, intermitente e sem

recuperação de calor, supondo constante as temperaturas de evaporação e condensação, é representado por duas isósteras AB e CD e duas isóbaras BC e DA de acordo com a Figura 3.12. O ciclo frigorífico é dividido em duas etapas, diurna e noturna, produzindo frio apenas em uma das etapas.

Etapa Diurna: O reator, isolado do evaporador, recebe calor do sol iniciando um

processo de aumento de temperatura do leito adsortivo (AB) até que a pressão do reator se iguale à pressão de vapor saturante correspondente à temperatura do condensador, dá-se inicio a dessorção e condensação (BC), onde o adsorvente (sílica-gel) começa a liberar o adsorvato (vapor de água) que inicialmente encontrava-se retido em sua estrutura microporosa. O adsorvato dessorvido, passa então ao condensador, de onde sairá na forma líquida, a qual será armazenada no reservatório de líquido. Ao fim desta etapa, o leito adsortivo atinge sua temperatura máxima e a sílica-gel menor índice de concentração de vapor de água.

Etapa Noturna: Esta etapa tem início quando a temperatura do leito começa a

diminuir (CD). Abre-se a válvula conectando o reator ao evaporador fazendo com que a pressão do coletor se iguale à pressão de saturação correspondente à temperatura do evaporador. O condensado agora é vaporizado (DA) no evaporador e seu vapor é adsorvido pelo reator provocando o efeito frigorífico no interior do evaporador. Esta etapa tem fim quando o leito poroso atingir sua temperatura mínima, que corresponde ao ponto de concentração máxima de adsorvato no adsorvente.

35

Figura 3.12 – Representação do ciclo de um refrigerador solar adsortivo. P- Pressão T- Temperatura TM- Temperatura máxima do leito Tm- Temperatura mínima do leito PC – Pressão de condensação PE – Pressão de evaporação

PC

PE

T(K)

TM Tm

LnP (kPa)

A

B C

D

36

3.3 – MEDIÇÕES NO PROTÓTIPO Foram realizadas medições de temperatura em 4 pontos diferentes do refrigerador,

sendo dois no reator, um no condensador e outro no evaporador, como pode ser visto nas figuras 3.13 e 3.14. Os instrumentos de medição utilizados foram:

2 termopares tipo T (cobre, constantan) cortados com 15 metros cada um, aferidos

como pode ser visto no anexo 1; 1 Datataker, datalogger; 1 Microcomputador pentium 2; 1 Termolog RTD. As medições com os Termopares tipo T foram realizadas no reator e perfizeram

vinte e quatro horas intermitentes coletando dados a cada cinco minutos, totalizando 576 medições de temperatura. Com relação ao evaporador e condensador, foram efetuadas medições pontuais utilizando-se um Termolog tipo RTD.

Figura 3.13 - Pontos de medição de temperatura nos tubos coletores. Os

termopares foram fixos à parede dos tubos com fita isolante e com massa de calafetar.

Termopar1

Termopar2

37

Figura 3.14 - Ponto de medição de temperatura localizado na metade do tubo

central do coletor. Termopar 1.

Figura 3.15 – Sistema de aquisição de dados conectado aos dois termopares e ao

microcomputador, localizados na UFPE.

38

Fig. 3.16 - Poço de coleta da temperatura no condensador.

Figura 3.17 - Ponto de coleta de temperatura no evaporador.

39

CAPÍTULO 4.0 – ANÁLISE TEÓRICA DE UM REFRIGERADOR SOLAR 4.1 – MODELAGEM MATEMÁTICA DE UM REFRIGERADOR SOLAR

O objetivo desta modelagem é apresentar as equações matemáticas do processo e

com elas determinar o ciclo termodinâmico do refrigerador, apresentado no esquema da Figura 4.1.

Figura 4.1 - Esquema do refrigerador de leite solar adsortivo construído na UFPE. Este modelo foi construído partindo-se da equação de Dubinin, que propõe uma

relação entre a concentração do sorbato retido no adsorvente à temperatura do leito sólido e a pressão do sorbato gasoso:

−=

ns

LL PPRTKTW lnexp)(0ρχ Eq. (4.1)

Onde: χ = concentração de sorbato (kg/kg) ou χ = relação entre a massa adsorvida pela massa de sorvente = Ma/Ms; ρ(TL) = Massa específica do sorbato (kg/m3); Ps = Pressão de saturação do sorbato à temperatura do leito (kPa); P = Pressão absoluta no adsorvente (kPa);

CONDENSADOR

EVAPORADOR

COLETOR TUBULAR SOLAR (REATOR)

40

R = Constante Universal dos Gases (J/kgK); TL = Temperatura do leito poroso (K); n, K e Wo são constantes dependentes do par adsortivo, neste caso sílica-gel e

água. Para esta modelagem é necessário o uso das equações de conservação para um

volume de controle no leito adsortivo sujeitas às simplificações, as quais são respaldadas em dados experimentais obtidos por Guilleminot (GUILLEMINOT J.,1987)., sempre respeitando os conceitos termodinâmicos. Tais simplificações seguem abaixo:

1. A equação de estado (Eq. 4.1) é válida para qualquer ponto do leito poroso

em qualquer instante, ou seja, os processos de sorção são considerados quase-estáticos, com o desprezo da resistência difusão mássica.

2. Para cada instante de tempo considera-se a pressão uniforme no leito

adsortivo.

3. O par Sílica-gel e Água possui propriedades termofísicas constantes.

4. A transferência de calor convectiva não é levada em consideração no fluxo gasoso de adsorbato.

5. O leito granular adsortivo em presença de vapor do sorbato é tratado como

um sólido contínuo homogêneo, para efeito de condução térmica. As pelotas de sílica gel foram colocadas entre os tubos de cobre bastante compactadas.

6. O reator foi considerado como uma placa de área igual à soma de todas as

áreas dos dutos em contato com o leito poroso. 7. A condensação dá-se a uma temperatura constante.

O desequilíbrio térmico responsável pelo início da dessorção corresponde, a partir

do instante θ = 0, ao fornecimento de uma potência solar (Q) incidente à parede externa dos tubos em paralelo no reator. No presente trabalho a temperatura da parede dos tubos foi considerada uniforme.

Com a relação de Clapeyron obtém-se a entalpia de mudança de fase:

2 ln( )stPq RT

T∂

= −∂ Eq. (4.2)

Que junto com o resultado da derivada da Eq.4.1 em relação a “T” tem-se a

entalpia de sorção em função da pressão e temperatura:

41

1ln( ) ( ln( )) ns sLst L L Ln

P PT Rq H RT TP KR n P

α −= + + Eq. (4.3)

Onde:

- stq = Entalpia de sorção( J / Kg );

- LH = Calor latente do sorbato à temperatura do sorvente ( J / kg ); - α = Coeficiente de dilatação volumétrica do sorbato, ( K-1 ). Através do modelo matemático empregado e com as condições iniciais conhecidas

pode-se simular o comportamento do sistema através do cálculo das pressões, temperaturas e concentração em função do tempo, para cada componente do sistema.

Reator: Foi considerado como uma placa de área igual à soma de todas as áreas dos dutos

em contato com o leito poroso (Figura 4.2). Sua modelagem matemática foi dividida em duas etapas:

-Análise na placa; -Análise no leito poroso.

1c

c

hR

= (Resistência de contato)

Figura 4.2 – Esquema para modelagem do reator. Análise na placa: Realizando-se o balanço de energia na placa, tem-se:

)()( ambpcgpLpcpp

ppp TTAUTTAhQAT

CV −−−+=∂

∂

θρ Eq. (4.4)

Onde :

Q

placa Leito adsortivo

42

pρ = massa específica da placa(kg/m3) ;

Vp = volume da placa (m3); Cp = Calor específico da placa a pressão constante (J / kgK); Tp = Temperatura da placa (K); θ = Tempo (s); Ap = Área da placa (m2); hc = Coeficiente de contato térmico da interface metal /adsorvente (W/m2K),

obtido experimentalmente(GUILLEMINOT J.,1987); Tamb = Temperatura ambiente (K); Q = Calor proveniente da radiação solar (W/m2); O calor Q está representado na forma de um polinômio de oitava ordem (Eq. 4.5),

desenvolvido pelo programa Origin através de uma ferramenta de adequação de um polinômio em uma curva. Esta curva, por sua vez, foi concebida através de dados solarimétricos. A aquisição destes dados deu-se por meio do Atlas Solarimétrico do Brasil (ANEXO 3).

87654

32

00000746,0*0.00071595*0.02714*0.51066*4.90323*36425,22*53179,43*81208,2610129,0

tpohtpohtpohtpohtpohtpohtpohtpohQ+−+−

+−+−−=

Eq. (4.5) onde tpoh é o tempo em horas

Ug corresponde ao coeficiente global de perdas térmicas do coletor solar (W/m2K) e equivale à soma das perdas pela parte superior – Ut – e inferior – Ub – do coletor, desprezando-se as perdas pelas laterais. Ou seja:

Ug = Ut + Ub Eq. (4.6)

Onde Ub é representado pela razão entre a condutividade térmica do isolante do fundo do coletor λi e sua espessura Li:

Ub = λi / Li Eq. (4.7) Já o coeficiente de perdas pela parte superior “Ut” é calculado utilizando-se a

relação empírica proposta por Klein (1973), além de já ter sido utilizada em outros trabalhos(Gurgel JM,1987):

43

)}))12(()]1(0425,0[

))((()1

)])(

)()[344((

{(1

221

31,0 NfNN

TTTTh

fNTT

T

NUt

gpp

ambpambp

cambp

p

−−+

+−+

−+++

+

−=

−

−

ξξξ

σ

Eq. (4.8) Onde: σ = Constante de Stefan Boltzmann 1,38054 x 10-23 J/K

f = (1-0,04*h + 5*10-4 * h2)*(1 + 0,056*N), sendo N igual ao número de coberturas (vidros) e h igual ao coeficiente de convecção para o ar externo dado por: h = 2,8 + 3*V (W/m2K) e V é a velocidade do vento em m/s.

ξg = Emissividade da cobertura;

ξp = Emissividade da parede do tubo;

Análise no leito: No leito adsortivo, o campo de temperatura é dado pela solução da equação geral

da condução de calor. O calor específico no leito é dado pela soma entre a massa de adsorvente vezes o calor específico da sílica e a massa de água vezes o calor específico da água. Porém, usando a Equação 4.9:

Ma = χ Ms Eq. (4.9)

onde:

Ma = Massa de água (kg);

Ms = Massa de sílica (kg).

tem-se: ρLVLCL = MsCs + χMsCa Eq. (4.10) Balanço no leito:

( )LL L L s c p p L

TV C Q h A T Tρθ

∂= + −

∂ Eq. (4.11)

onde:

s s stxQ M qθ

∂=

∂ Eq. (4.12)

44

e

Lρ = massa específica do leito (kg/m3);

VL = Volume do leito (m3); Qs = Calor de sorção (W); qst = Entalpia de sorção(J/kg);

xθ

∂∂ = Variação da concentração do adsorvato no adsorvente com o tempo.

Utilizando-se a equação de Clausius-Clapeyron (Eq.4.2) e a equação de Dubinin

(Eq.4.1) e sabendo-se que ( , )f P Tχ = e (ln ) ( , )d P f Tχ= , tem-se:

12

(ln )[ln( )] [ ( )]n n ns st LL

L

P q TPnkR TP RT

χ χθ θ θ

− ∂∂ ∂= −

∂ ∂ ∂ (Eq. 4.13) Substituindo a (Eq.4.3) e (Eq.4.13) na (Eq.4.12) e esta na (Eq.4.11) acrescida da

(Eq.4.10) e sabendo-se que n = 1 para o par adsortivo sílica-gel água, tem-se:

2

ln( ) ( ) [( ) ( )]stL Ls s s a c p p L s st L

L

qT TPV C C h A T T M q KR TRT

ρ χ χθ θ θ

∂ ∂∂+ = − + −

∂ ∂ ∂ (Eq.4.14)

Condensador: O balanço de energia no condensador resultou em:

( )c acc c Lc cond cond a c

T mM C H h A T Tθ θ

∂ ∂= + −

∂ ∂ (Eq. 4.15)

onde: Mc = Massa do condensador (kg);

Cc = Calor específico do condensador a pressão constante (J / kgK);

Tc = Temperatura do condensador (K);

mac = Massa de água condensada no sistema (kg);

HLc = Calor latente de condensação (J/kg);

45

hcond = Coeficiente de convecção do condensador (W/m2K);

Acond = área do condensador (m2);

Ta = Temperatura da água de refrigeração do condensador (K); Evaporador : O balanço de energia no evaporador desprezou a massa metálica do evaporador e

foi dividido em duas partes: - Adsorvato (água do sistema); - Leite (a ser resfriado). Adsorvato:

)()( aambaambaambaLeaLeaLeLeaea

aa TTAUTTAUHmT

CM −+−+∂

∂=

∂∂

θθ (Eq.4.16)

onde:

mae = Massa de água evaporada no sistema (kg);

HLe = Calor latente de evaporação (J/kg);

Uale = Coeficiente de troca térmica entre a água (adsorvato) e o leite (W/m2K);

AaLe = Área de troca térmica entre a água (adsorvato) e o leite (m2);

Tle = Temperatura do leite (K);

Uaamb = Coeficiente de troca térmica entre a água (adsorvato) e o ambiente (W/m2K); Aaamb = Área de troca térmica entre a água (adsorvato) e o ambiente (m2);

Tamb = Temperatura do ambiente (K).

Leite a ser resfriado:

)()( LeambLeambLeambLeaaLeaLeLe

LeLe TTAUTTAUT

CM −+−=∂

∂θ

(Eq. 4.17)

46

onde:

MLe = Massa de leite (kg);

CLe = Calor específico do leite (J / kgK);

ULeamb = Coeficiente de troca térmica entre o leite e o ambiente (W/m2K);

Aaamb = Área de troca térmica entre o leite e o ambiente, somente pela parte superior (m2).

O COP- Coeficiente de Performance- calculado no sistema segue a seguinte

fórmula (E.E.ANYANWU,2003):

SOL

útil

QQ

COP = (Eq. 4.18)

Onde o termo do numerador Qútil representa o calor que é utilizado no evaporador

para resfriar o leite e é calculado da seguinte forma:

LVAGEVAPÚTIL HMQ *= (Eq. 4.19)

onde o termo LVH representa o calor latente de evaporação e AGEVAPM a massa de água evaporada no sistema calculada como segue a baixo:

sílicaAGEVAP MM *χ∆= (Eq. 4.20)

47

4.1.1 – CÁLCULO DO CICLO TERMODINÂMICO PARA O REATOR ADSORTIVO

Para o cálculo do ciclo termodinâmico do ciclo adsortivo foram feitas as seguintes considerações:

• A temperatura inicial no reator igual a 30 0C e a do evaporador 7 0C e a

pressão do reator igual à pressão de saturação na temperatura do evaporador.

• A temperatura de condensação igual a 26 0C.

• A temperatura máxima atingida no leito foi igual a 90 0C.

Os cálculos das pressões de saturação foram elaborados utilizando a seguinte

equação polinomial:

2 5 3 6 40.822 0.0152* 0.0051* 5.692*10 * 1.08411*10 *s L L L LP T T T T− −= − + − + (Eq. 4.21) onde: Ps = Pressão de saturação

TL = Temperatura do leito

Os cálculos das concentrações foram realizados utilizando a equação de estado de

Dubinin aqui repetida para maior clareza do texto:

−=

ns

LL PPRTKTW lnexp)(0ρχ (Eq. 4.1)

onde:

χ = concentração de sorbato (kg/kg) ou χ = relação entre a massa adsorvida pela massa de sorvente: χ = Ma/Ms;

Ps = Pressão de saturação do sorbato à temperatura do leito (kPa);

P = Pressão absoluta no adsorvente (kPa);

R = Constante Universal dos Gases (J/kgK);

TL = Temperatura do leito poroso (K);

n, K, Wo são constantes dependentes do par adsortivo, que para o nosso caso é: Sílica-gel e água.

48

Ponto (A): Tevap = 7 0C Ps (T = 7 0C) = 0.95 KPa = Preator TL = 30 0C Ps (T= 30 0C) = 4.29 KPa pressão de saturação Então para o ponto (A) têm-se: TL = 30 0C P = 0.95 KPa Ps = 4.29 KPa χ = 0.1440 Ponto (B): χ A= χ B = 0.1440 Tcond = 26 0C Ps (T = 26 0C) = 3,37 KPa = Pcondensador = P Para obtenção da temperatura do leito e a pressão de saturação foi utilizado o

seguinte procedimento: Isolou-se Ps da equação de Dubinin, e desenhou-se um gráfico (Ps X TL), mostrado

na Figura :

0

( )*exp ( )

* *( 273.15)sL

LnWP P

R K T

χρ

= −+

(Eq. 4.22)

Foi também desenhado um gráfico de (P`s X TL), onde P`s = 2 5 3 6 40.822 0.0152* 0.0051* 5.692*10 * 1.08411*10 *L L L LT T T T− −− + − + (Eq. 4.21) As curvas se encontram no ponto Ps = P`s = 13,6 KPa e TL = 51,7 0C .

49

Cálculo das propriedades do ponto B

11,5

12

12,5

13

13,5

14

14,5

50 50,2

50,4

50,6

50,8 51 51

,251

,451

,651

,8 52 52,2

T (C)

Ps e

Ps'

(Kpa

)

PsP`s

Figura 4.3 – Definição do ponto B. Então para o ponto (B) têm-se: TL = 51,7 0C P = 3,37 kPa Ps = 13,6 kPa χ = 0.1440 Ponto (C): P = PC = PB = 3,37 kPa TL = 90 0C Ps (T = 90 0C) = 70.4 kpa = Ps χ = 0.033 Ponto (D): χ C= χ D = 0.033 P = PD = PA = 0.95 kPa Para obtenção da temperatura do leito e da pressão de saturação foi utilizado o

seguinte procedimento:

50

A pressão de saturação Ps foi isolada na equação de Dubinin. Foi desenhado um gráfico (Ps x TL):

0

( )*exp ( )

* *( 273.15)sL

LnWP P

R K T

χρ

= −+

(Eq. 4.22)

Foi também traçado um gráfico (P`s x TL) como mostra a figura 4.4, onde P`s = 2 5 3 6 40.822 0.0152* 0.0051* 5.692*10 * 1.08411*10 *L L L LT T T T− −− + − + (Eq. 4.21)

Cálculo das propriedades do ponto D

23

23,5

24

24,5

25

25,5

26

64 64,2

64,4

64,6

64,8 65 65

,265

,4

T (C)

Ps

e Ps

' (K

pa)

P`sPs

Figura 4.4 – Definição do ponto D. Desta forma, para o ponto (D) têm-se: TL = 64,18 0C P = 0.95 kPa Ps = 24,2 kPa χ = 0.1440 Desta forma-se um gráfico com os pontos A, B, C e D, que é a curva de adsorção

do reator, conforme mostra a Figura 4.4.

51

Figura 4.5 – Curva de Adsorção do reator

4.2 – SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO REFRIGERADOR SOLAR

A solução analítica do sistema de equações apresentado na modelagem

matemática é de difícil obtenção, devido às complicações matemáticas inerentes ao sistema. Portanto, neste trabalho foi proposta uma solução numérica a partir de uma discretização das equações, utilizando o método das diferenças finitas.

Seguem abaixo as equações já discretizadas, onde k representa o passo de tempo

dado pelo programa.

]))

****

(1(

)(****

*)**

**()

****

([1

ppp

pc

ambpk

ppp

cgkp

kL

ppp

pc

ppp

p

kP

VCAh

TTVC

AUTT

VCAh

VCAQ

T

ρθ

ρθ

ρθ

ρθ

∆+

−∆

−+∆

+∆

=+

Eq. (4.23)

]))

******()

****

(1(

*)**

**()

*****()

**

)(******(

[

2

1

1

kLLLL

sts

LLL

pc

kL

kp

LLL

pc

LLL

sts

LLL

kL

kLk

Lsts

kL

TVCKqM

VCAh

TTVC

AhVC

KqMVC

PPLnTKRqM

T

ρχ

ρθ

ρθ

ρχ

ρ

χ

+∆

+

+∆

++=

+

+

Eq.(4.24)

Curva de adsorção do reator

-1-0,6-0,20,20,6

11,41,82,2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

T [ºC]

LN(P

) [ k

pa]

52

onde: ρLVLCL = MsCs + χMsCa Eq.(4.25) e

KT

PP

LnTRHqk

Lksk

LLst *)(** α++= Eq.(4.26)

Utilizando a equação abaixo como critério de convergência (1%):

)]**

)*

(()(exp[ 1

1+

+ += kL

sk

L TRKWo

LnPLnP ρ

χ

Eq.(4.27)

Com relação ao condensador, têm-se:

conconconcon

kcon

conconagconconlvs

kcon

AhCM

TCMTAhhMdd

T+

∆

∆++−

=+

θ

θθχ )*)((

1 Eq. (4.28)

Sendo:

θχ

θχ

θχ

∆+

∆−

= −

***

***1

stk

L

kLst

k qKT

TqKdd Eq.(4.29)

Com relação ao evaporador, segue as equações, também já discretizadas:

adambadambadLeadLeadac

kevap

adacambadambadamb

kLeadLeadLelvs

kevap

AhAhCM

TCM

TAhTAhhMdd

T++

∆

∆+++

=+

θ

θθχ )*)((

1

(Eq. 4.30)

53

θ

θ

∆++

∆++

=+

LeLeLeambLeambadLeadLe

kLe

LeLeambLeambLeamb

kevapadLeadLe

kLe CMAhAh

TCMTAhTAhT

)*(1 (Eq. 4.31)

A seqüência do programa numérico foi dividida em quatro blocos. Suas

respectivas representações seguem abaixo através de diagramas de fluxo: Início do Programa:

54

Dados de entrada: Tpk, TL

k, PLk, Tcon

k

Pchute =PLk+1 + 0.1

Do while ( PLk<=Pcon

k )

Calcula Tpk+1

Calcula TLk+1

Calcula PLk+1*

Do while | (PLk+1* – PL

k+1)/PLk+1 | >= 0.01

PLk+1 = PL

k+1*

Calcula Pk+1*

Calcula TLk+1

Início 1º Bloco

End Do

k = k + 1

Calcula Ps

PLk+1 = PL

k+1* (verdadeiro)

End Do

Fim do 1º bloco

Calcula Tconk+1 e Pcon

k+1

Calcula Ps

Calcula χ

Calcula Ug e qst

55

Calcula Psk+1

Calcula χk+1

Calcula Ps

Calcula χ

PLk = Pcon

k

Do while ( tpo<=13*3600 )

Calcula Tpk+1

Calcula TLk+1

Inicio 2º Bloco

k = k + 1

Calcula MAC

End Do

Fim do 2º bloco

Calcula Tconk+1 e Pcon

k+1

Calcula Ug e qst

56

Dados de entrada: Tevapk, Tlei

k

PLchute =PLk+1 - 0.1

Do while ( PLk<=Pevap

k )

Calcula Tpk+1

Calcula TLk+1

Calcula PLk+1*

Do while | (PLk+1* – PL

k+1)/PLk+1 | >= 0.01

PLk+1 = PL

k+1*

Calcula Pk+1*

Calcula TLk+1

Início 3º Bloco

End Do

k = k + 1

Calcula Ps

PLk+1 = PL

k+1* (verdadeiro)

End Do

Fim do 3º bloco

Calcula Tevapk+1 e Pevap

k+1

Calcula Ug e qst

57

Fim do Programa.

Calcula Psk+1

Calcula χk+1

Calcula Ps

Calcula χ

PLk = Pevap

k

Do while ( tpo<=30*3600 )

Calcula Tpk+1

Calcula TLk+1

Inicio 4º Bloco

k = k + 1

Calcula MAevap

End Do

Fim do 4º bloco

Calcula Tevapk+1 e Pevap

k+1

Calcula Ug e qst

58

CAPÍTULO 5.0 – ANÁLISE TERMOGRÁFICA

5.1 – PERFIL DE TEMPERATURA ATRAVÉS DE CÂMERAS INFRAVERMELHO

Câmeras infravermelho têm a função de fotografar ou até mesmo filmar uma

região ou objeto e revelar, através de um espectro cores, pelo qual se pode identificar as várias temperaturas superficiais da região ou objeto, as chamadas imagens termográficas que utilizam a banda espectral de infravermelhos entre 7,5µm e 13µm como mostrado na Figura 5.1:

Figura 5.1 - Espectro eletromagnético (Manual do operador ThermaCAMS45 Flir

systems, 2004). A câmera infravermelho utilizada neste trabalho é da marca FLIR Systems (Anexo

4) e foi adquirida pelo GET-Grupo de Engenharia Térmica da UFPE. Sua calibração é feita utilizando uma cavidade isotérmica aquecida a uma temperatura uniforme que gera radiação de corpo negro, cujas características são determinadas exclusivamente pela temperatura da cavidade – Radiadores de Cavidade – que são aproveitados como fontes de radiação em padrões de referência de temperatura em laboratório.

Para se fazer a conversão de emitância radiante (potência de radiação) em

temperatura, a câmera utiliza o gráfico mostrado na Figura 5.2 para corpo negro.

59

Figura 5.2 Poder emissivo do corpo negro (Manual do operador ThermaCAMS45

Flir systems, 2004). A Figura 5.2 mostra o poder emissivo do corpo negro segundo a lei de Plank,

representada graficamente para várias temperaturas absolutas. 1: poder emissivo (W/cm2 x 103 (µm)) ; 2: comprimento de onda (µm).

Como os objetos reais não se comportam como corpos negros numa região de

comprimento de onda alargada, é necessário ter-se uma curva de emitância para corpos que apresentem uma variação do ε com o comprimento de onda (radiadores seletivos), como pode ser percebido no gráfico mostrado na Figura 5.3.

Figura 5.3 Poder emissivo de três tipos de radiadores (Manual do operador

ThermaCAMS45 Flir systems,2004). A Figura 5.3 mostra o poder emissivo de três tipos de radiadores. 1: poder

emissivo; 2: comprimento de onda; 3: corpo negro; 4: Radiador seletivo; 5: corpo

cinzento.

60

O objetivo não é o cálculo de potências e sim de temperaturas, ou seja, a câmera utiliza uma pequena faixa de comprimento de onda, não importando o comportamento da curva por um todo.

Ao visualizar um objeto, a câmera recebe radiações emitidas pelo próprio objeto,

pelo meio adjacente, refletidas pela superfície do objeto e ainda uma contribuição de radiações emitidas pela própria atmosfera. A fórmula para calcular a temperatura do objeto a partir da saída da câmera calibrada pode ser melhor compreendida com o auxílio da Figura 5.4.

Figura 5.4: Temperatura do objeto a partir da saída da câmera (Manual do

operador ThermaCAMS45 Flir systems, 2004). onde: ε é a emissividade espectral; Tobj é a temperatura do objeto; Tatm é a temperatura ambiente; τ é a transmitância da atmosfera; W é a potência de radiação. Supondo que a potência da radiação recebida W da fonte de temperatura de um

corpo negro Tfonte a uma distância curta gera um sinal de saída da câmera Ufonte proporcional à entrada da potência, pode-se então escrever:

Ufonte=cW(Tfonte) (Eq. 5.1) Ou, de forma simplificada:

61

Ufonte=CWfonte (Eq. 5.2) onde C é uma constante. Se o corpo for cinzento com emitância ε, a radiação recebida será εWfonte. A

potência total da radiação recebida será: Wtot=ετWobj + (1-ε)τWrefl + (1-τ)Watm (Eq. 5.3)

onde ετWobj é a emissão a partir do objeto, (1-ε)τWrefl é a emissão refletida a partir das fontes ambientais, sendo (1-ε) a reflexão do objeto. As fontes ambientais possuem a temperatura Trefl.

(1-τ)τWatm é a emissão a partir da atmosfera:, sendo (1-τ) a emitância da atmosfera.

Multiplicando-se cada termo da equação acima pela constante C e substituindo-se

os produtos CW pelo U correspondente e isolando Uobj, têm-se:

atmrefltotobj UUUUτ

τε

εετ

−−

−−=

111 (Eq. 5.4)

onde:

Uobj representa a tensão de saída calculada da câmera para um corpo negro de temperatura Tobj, ou seja, uma tensão que pode ser diretamente convertida em temperatura real requerida do objeto;

Utot é a tensão de saída medida da câmera para o caso real;

Urefl é a tensão de saída teórica da câmera para um corpo negro de temperatura Trefl de acordo com a calibragem;

Uatm é a tensão de saída teórica da câmera para um corpo negro de temperatura Tatm de acordo com a calibragem.

A função do operador é fornecer os valores dos parâmetros abaixo relacionados: Emitância do objeto ε; Umidade relativa; Tatm; Distância do objeto; A temperatura do meio adjacente ao objeto, ou a temperatura ambiente refletida

Trefl.

62

5.2 – IMAGENS TERMOGRÁFICAS DO REFRIGERADOR SOLAR Neste item são mostradas algumas imagens termográficas do refrigerador solar. 5.2.1 – Reator As Figuras 5.5 e 5.6 mostram imagens termográficas do reator, com as abas de vidro levantadas. Esta imagem do coletor mostra com nitidez as tubulações. A foto foi tirada às 10:15 am de um dia bastante ensolarado, com as temperaturas superficiais das tubulações em torno de 90ºC.

Figura 5.5 – Imagem termográfica do coletor plano

63

Figura 5.6 – Coletor solar com abas sem a cobertura de vidro. A Figura 5.6 refere-se a uma imagem termográfica do coletor tirada de um outro ângulo. Pode ser visualizada a aba lateral do coletor. 5.2.2 – Condensador

A Figura 5.7 mostra uma imagem termográfica da tubulação do condensador, sem a presença da água de refrigeração.

Figura 5.7 - Imagem termográfica do condensador.

64

Esta imagem da vista superior do condensador foi tirada às 10:20am de um dia bastante ensolarado, com as temperaturas superficiais das tubulações variando entre 27 e 29ºC. A parte mais clara da foto, onde há temperaturas superiores a 30ºC deve ser desprezada devido à reflexão da radiação solar. 5.2.3 – Evaporador As Figuras 5.8 e 5.9 mostram vistas frontais do evaporador. Estas imagens foram realizadas às 10:25 am de um dia bastante ensolarado. Como pode ser visto, o alumínio reflete o calor do ambiente.

Figura 5.8 - Imagem termográfica do evaporador.

65

Figura 5.9 – Imagem termográfica apresentada pela figura 5.9, mas com um diferente palet.

66

CAPÍTULO 6.0 – RESULTADOS E DISCUSSÃO 6.1 – RESULTADOS E DISCUSSÃO DA SIMULAÇÃO NUMÉRICA

Nesta secção serão apresentados os resultados obtidos durante as simulações

numéricas. A apresentação destes resultados foi elaborada através de gráficos, proporcionando uma melhor visualização das propriedades termodinâmicas do processo de refrigeração por adsorção sólida. O programa de simulação foi elaborado utilizando o Microsoft Visual Compaq Fortran90 e seus dados de saída enviados ao Microsoft Excel, que por sua vez foi usado em conjunto com o Microsoft Origin para gerar os gráficos.

O código computacional tem como base de cálculo das equações apresentadas e

discretizadas no capítulo 4. O algoritmo mostrado no capítulo 4.2, foi baseado no trabalho de Gurgel e Küppel, datado de 1988.

As condições iniciais do problema e os valores das propriedades termofisicas dos

componentes do refrigerador estão relacionados na Tabela 6.1. Tabela 6.1 – Dados utilizados na simulação numérica

Condições iniciais Valores Iniciais Tempo inicial 6*3600s Temperatura da placa inicial 30ºC Temperatura do leito inicial 30ºC Pressão do leito inicial 0,948 kPA Temperatura do condensador inicial 30ºC Temperatura do evaporador inicial 6ºC Temperatura do leite inicial 27ºC

Propriedades Valores Massa específica da placa ( ρp ) 900 kg/m3 Volume da placa ( Vp ) 0,0015 m3 Calor específico da placa ( Cp ) 385 J / kgK Área da placa ( Ap ) 1,4 m2 Área do leito ( Ap2 ) = π*D*ntubos*Ltubo 3,14*0,02*20*2 m2 Coeficiente de convecção devido ao contato térmico ( hc ) (GUILLEMINOT J.,1985)

17,1 W/m2

Calor recebido devido à energia solar ( Q ) Polinômio gerado(W/m2)

Massa de sílica gel (Ms) 40 kg Calor específico da sílica gel ( Cs ) 980 J / kgK Massa de água ( Mag ) 20 kg Calor específico da água ( Ca ) 4180 J / kgK Calor latente da água a 30 ºC ( HL) 2430,5 J / kg Constante universal dos gases ( R ) 0,462 J/molK Coeficiente de dilatação térmica da água ( α ) 0,0005 K-1 Constante de Dubinin para sílica gel e água ( k ) 0,004912 Constante de Dubinin para sílica gel e água ( W0 ) 0,0004066 Constante de Dubinin para sílica gel e água ( n ) 1 Massa específica da água ( ρa ) 1000 kg/m3

67

Passo de tempo em segundos ( Z ) 60 s Massa do condensador ( Mc ) 30 kg Calor específico do condensador a pressão constante (Cc ) 385 J / kgK Calor latente de condensação ( HLc ) 2300000 J / kg Coeficiente de convecção do condensador ( hcond ) 180000 W/m2K Área do condensador ( Acond ) 1 m2 Constante de Stefan Boltzmann (σ) 5,669x10-08 Número de coberturas de vidro (N) 1 Emissividade da cobertura ( ξg ) 0,88 Emissividade da parede do tubo ( ξp) 0,9 Velocidade do vento (V) 3 m/s Coeficiente de convecção do vidro para o ar externo (hvi) 2,8+3*V Condutividade do isolante sob os tubos ( Kiso ) 0,04 Espessura do isolante sob os tubos ( Eiso ) 0,03 Calor latente de evaporação (HLe) 2300000 J/kg Coeficiente de troca térmica entre a água (adsorvato) e o leite (Uale)

10000 W/m2K

Área de troca térmica entre a água (adsorvato) e o leite (AaLe) 2 m2 Coeficiente de troca térmica entre a água (adsorvato) e o ambiente (Uaamb)

1 W/m2K

Área de troca térmica entre a água (adsorvato) e o ambiente(Aaamb)

1 m2

Massa de leite (MLe) 12 kg Calor específico do leite (CLe) 4180 J / kgK Coeficiente de troca térmica entre o leite e o ambiente (ULeamb)

1 W/m2

Área de troca térmica entre o leite e o ambiente (Aaamb) 1m2 Temperatura da água de refrigeração do condensador ( Ta) 27ºC Temperatura ambiente (Tamb) 27ºC

O primeiro gráfico gerado foi o do calor proveniente do sol incidente no coletor versus o tempo em horas:

68

5 10 15 20 25 30

0

100

200

300

400

500Q

(W/m

2 )

tempo (h)

Figura 6.1 - Gráfico (Q x Tempo) realizado a partir de dados gerados pelo

programa. Observando-se a Figura 6.1, pode-se perceber que a radiação solar incidente no

coletor inicia às 06:00 h da manhã com um valor aproximado de 38,5 W/m2 e segue de forma crescente atingindo seu pico 499,8 W/m2 por volta das 12:00 h e logo em seguida a incidência de radiação solar começa a diminuir voltando a um valor próximo do inicial de 58,57 W/m2 às 17:00h. Fica claro também pelo gráfico que após as 17:00 horas os valores de radiação solar foram considerados zero.

Em seguida foi preparado um gráfico entre a pressão e a temperatura do leito onde

se verifica uma curva com comportamento compatível com a literatura (Gurgel, 2002) como pode ser visto na Figura 6.2:

69

Figura 6.2 - Gráfico (Ln(Pl) X Temp. Leito) realizado a partir de dados gerados

pelo programa. Este gráfico (Ln(Pl) x Temperatura do Leito) é muito importante para a

compreensão do fenômeno de adsorção e dessorção no reator, pois com ele pode-se fazer uma descrição do ciclo adsortivo de refrigeração. O gráfico foi dividido em 4 curvas para melhor compreensão do leitor:

Curva 1: Processo a concentração (máxima) constante, com apenas o aumento da

temperatura e pressão do leito até atingir a pressão de condensação. A temperatura inicial do leito é de 30ºC e vai até aproximadamente 54ºC e sua pressão vai de 0,948 até 3,58 kPA.

Curva 2: Nesta parte do processo o leito trabalha com pressão quase invariável de

3,58 kPA que é a pressão do condensador. Esta é a fase em que há a dessorção do vapor de água impregnado na sílica gel, ou seja, caminhando-se na curva na direção positiva do eixo x, diminui-se a concentração de água na sílica. A temperatura varia de 54ºC à 115°C onde ocorre a concentração mínima de água na sílica. Esse vapor que saiu da sílica é condensado no condensador ainda neste processo.

Curva 3: Corresponde ao processo inverso da curva 1. O leito trabalha com a

concentração (mínima) constante e devido à diminuição da intensidade dos raios solares, sua temperatura e pressão sofrem uma queda de 115°C à 77°C e 3,58 kPA até 0,948 kPA atingindo a pressão do evaporador.

Curva 4: Nesta região do gráfico o coletor solar está conectado ao evaporador,

portanto ela descreve o que acontece no coletor durante o processo de evaporação da massa de condensado no evaporador, onde ocorre o efeito frigorífico. Como pode ser percebido ao caminhar-se na direção negativa do eixo x, há um aumento da concentração de água na sílica gel. Ou seja, o vapor de água proveniente do evaporador é adsorvido pelas pelotas de sílica gel fechando o ciclo de adsorção. A temperatura do

Curva 1

Curva 2

Curva 3

Curva 4

70

leito poroso varia de 87°C até um pouco menos de 30°C, devido à pressão do evaporador não ser constante variando de 0,948 até 0,90 kPA.

O gráfico da Figura 6.3 relaciona a temperatura do leito com o tempo em horas.

Com ele verifica-se que a temperatura do leito possui um comportamento similar ao da curva de radiação com o tempo. É possível também estimar a hora em que se deve abrir a válvula que separa o evaporador do coletor, que seria após o ponto de inflexão da curva, onde começa o processo de resfriamento do coletor, por volta das 14:00 horas.

5 10 15 20 25 30

300

320

340

360

380

400

Tl (K

)

Tempo (h)

Figura 6.3 - Gráfico (Temp. Leito x Tempo) realizado a partir de dados gerados

pelo programa. Também é interessante verificar o andamento da pressão do leito com relação ao

tempo, pois percebe-se que das 6:00 às 09:00 horas há um considerável aumento na pressão do leito e das 09:00 às 13:00 horas ela permanece praticamente constante. Das 13:00 às 16:00 horas a curva caminha decrescentemente até atingir a pressão do evaporador, mantendo-se até às 6:00 horas do próximo dia.

Foi preparada também uma curva que descreve a variação da concentração de

adsorbato com relação ao tempo e outra relacionando a concentração com a temperatura do leito, para que seja confirmado o que já foi descrito sobre a concentração no gráfico Ln(Pl) x Temp. Leito.

71

5 10 15 20 25 300,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Pl(k

PA)

Tempo (h)

Figura 6.4 - Gráfico (Pressão do Leito x Tempo) realizado a partir de dados gerados pelo programa.

5 10 15 20 25 300,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

Con

cent

raçã

o X

tempo (h)

Figura 6.5 - Gráfico (Concentração x Tempo(h)) realizado a partir de dados

gerados pelo programa.

72

300 320 340 360 3800,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

Con

cent

raçã

o

Temperatura do leito(K)

Figura 6.6 - Gráfico (Concentração x Temperatura(K)) realizado a partir de dados

gerados pelo programa. Fica claro que para a temperatura inicial (06:00 am) de 30ºC ocorre a

concentração máxima de adsorbato no adsorvente correspondente a um valor de 0,14375 permanecendo constante. A dessorção ainda não ocorre, até aproximadamente 09:15 am, correspondendo a uma temperatura do leito de 54ºC. Iniciando-se então o processo de decaimento da curva, dessorção, até aproximadamente 13:00 horas, atingindo uma concentração mínima de 0,0188 para uma temperatura máxima do leito de 115°C. A partir deste ponto a concentração volta a permanecer constante até às 17:00 horas com o leito apresentando uma temperatura de 77°C, iniciando-se o processo de crescimento da curva, adsorção, até aproximadamente 06:00 horas do dia seguinte, voltando-se à concentração inicial.

O COP encontrado através da simulação foi :

kgM AGEVAP 88,440*0,018845)-0,140845( ==

JQÚTIL 15,112353872300000*88,4 ==

JsWmm

hWQSOL 98,17283140*98,172831403600*4,1**195,3429 22 ===

65,098,1728314015,11235387

===JJ

QQ

COPSOL

útil

73

Esse valor é superior ao valor encontrado na literatura de 0,1 (Gurgel e Klüppel,1988), devido a esse modelo utilizar valores ideais, como: temperatura de evaporação baixa, desconsiderar algumas perdas e considerar uma massa de água que evapora no evaporador alta. 6.2 – RESULTADOS E DISCUSSÃO DAS MEDIÇÕES NO PROTÓTIPO

Como resultado das medições de temperatura no reator utilizando dois termopares

tipo T conectados a um sistema de aquisição de dados e um microcomputador, obteve-se o gráfico gerado pelo Microsoft Excel abaixo:

Tp(CELCIUS) X Tempo(h)

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

00:00:00 02:24:00 04:48:00 07:12:00 09:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 00:00:00

Tempo(h)

Tp(C

ELC

IUS)

T1T2

Figura 6.7 - Gráfico (Temp. Leito x Tempo) realizado a partir de dados

experimentais coletados no LES/UFPE (Laboratório de Energia Solar da UFPE).

74

Comparação entre dados experimentais e simulados

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

00:00:00 02:24:00 04:48:00 07:12:00 09:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 00:00:00

Tempo (h)

Tem

pera

tura

da

plac

a (°

C)

T1

T2

Tsimulação

Figura 6.8 - Gráfico contendo três curvas, sendo duas a partir de dados experimentais e a outra, a amarela, gerada a partir da simulação numérica.

Com ele percebe-se claramente uma semelhança entre o comportamento da curva

de temperatura do leito em um dia obtida por dados coletados experimentalmente e a curva de temperatura do leito obtida através de dados gerados pelo programa computacional. A comparação das curvas deve ser qualitativa, devido a basicamente três motivos:

1- Os dados de temperatura terem sido coletados em um dia em que não se

teve acesso aos dados de intensidade de radiação solar. 2- Os dados de radiação solar foram retirados a partir de uma média anual de

valores contidos no Atlas Solar. 3- Além das perdas no experimento serem maiores que as consideradas na

simulação e a temperatura ambiente ter sido considerada constante o dia inteiro.

A seguir apresenta-se uma tabela típica de medições realizadas pontualmente com

um instrumento RTD de temperatura no protótipo. turno

hora Tevap(ºC) Tcond(ºC) Treator(ºC) Manhã 07:20 6,96 23,01 25,84 23/08/03 Tarde 16:35 12,2 25,6 36 Manhã 07:45 8,21 23,59 39,43 24/08/03 Tarde 17:00 13,9 27,59 39,56 Manhã 07:45 9,92 23,31 32,67 26/08/03 Tarde 16:15 13 28 39 Manhã 07:30 12,94 24,84 33,58 27/08/03 Tarde 17:00 ---------------- ---------------- ---------------- Manhã 07:30 15,21 25,22 35,38 28/08/03 Tarde 15:30 ---------------- ---------------- ----------------

Tabela 6.2- Dados de medições de temperatura no protótipo do refrigerador solar

75

Ao invés de leite, utilizou-se água para os experimentos, por ser um fluido de propriedades semelhantes ao leite. Pela análise da tabela acima, verifica-se que a temperatura no evaporador chegou a 7oC, mas não se manteve constante dia após dia. Isso se deve a entradas de ar no sistema. Foram localizados dois vazamentos em dois tubos do coletor, os quais foram retirados para reparos. O vazamento persistiu, embora em menor escala, ainda sendo necessária a detecção do local de vazamento, sendo provavelmente na válvula que dá acesso ao evaporador, que é na verdade, uma válvula apropriada para altas pressões. Esse fato, porém não invalida o protótipo, visto que seu funcionamento foi verificado, chegando a temperatura da água no evaporador ao valor de 7oC.

76

CAPÍTULO 7.0 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 7.1– CONCLUSÕES

Foram realizados estudos experimentais e simulação numérica para um

refrigerador solar por adsorção sólida, operando com o par frigorífico sílica gel – água. O protótipo do refrigerador utilizado foi projetado e construído pelo Grupo de Engenharia Térmica (GET) do Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE em conjunto com a Solar Tech - Empresa localizada na Paraíba.

As diretrizes do Ministério da Agricultura requerem refrigeração do leite no próprio local de produção, o que é bastante crítico para os estados do Nordeste do Brasil, que não possuem o mesmo nível de eletrificação rural dos estados da região Sul e Sudeste. Identificou-se, através do estudo da demanda para refrigeradores de leite, que, embora Pernambuco seja o estado da região Nordeste que possua o maior nível de eletrificação rural, acima dos 70%, essa energia é disponível apenas para pequenas demandas, não sendo suficiente para operar máquinas de refrigeração. Assim sendo, há um campo ainda maior para o produto desenvolvido nessa pesquisa.

As imagens termográficas provaram ser mais uma forte fonte de coleta de dados experimentais, sendo utilizadas para visualização dos campos de temperatura em objetos em tempo real, além de servir para ilustrar trabalhos de forma qualitativa.

O refrigerador atingiu temperaturas dentro da faixa exigida pelo Ministério da Agricultura Brasileiro chegando a um valor mínimo no evaporador de 7,0°C. Através de consulta à literatura especializada, sabe-se que o tipo de refrigerador utilizado para os testes do presente trabalho pode atingir temperaturas mínimas de até 5°C. Entretanto foram detectados alguns pontos de entrada de ar no refrigerador, fazendo com que a temperatura do evaporador não pudesse atingir seu mínimo e também não se estabilizasse. Apesar disso, conclui-se que, tão logo o problema esteja sanado, este protótipo seria bastante útil para resolução do problema da conservação do leite em regiões do semi-árido pernambucano, onde não há energia elétrica ou até mesmo onde existe energia, mas de uma forma suficiente apenas para pequenos consumos.

A simulação numérica realizada na UFPE, em conjunto com o Laboratório de Energia Solar da UFPB - Universidade Federal da Paraíba – foi realizada através da discretização das equações contidas na modelagem matemática, com código computacional desenvolvido utilizando-se o software Fortran90, gerando dados que apresentaram equivalência quando comparados com os contidos na literatura e que podem ser certamente comparados qualitativamente com os resultados experimentais. Conclui-se então que a simulação numérica apresentou resultados satisfatórios.

77

7.2– SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS Alguns estudos e modificações listadas a seguir podem trazer contribuições

significativas para o estudo de refrigeradores solares. As sugestões para trabalhos futuros estão esquematizadas abaixo.

• Fazer medições com as abas do coletor levantadas, o que ajudará a

aumentar a eficiência de refrigeração, pois quanto mais baixa a temperatura do leito de sílica, mais vapor d’água ela absorve, aumentando o efeito de refrigeração.

• Instalar válvula solenóide para abrir e fechar a válvula que separa o evaporador do coletor.

• Colocar um visor no tubo armazenador de água condensada, para possibilitar a medição da água condensada diariamente.

• Prover o fundo da caixa do coletor de uma tampa móvel, para auxiliar o arrefecimento noturno.

• Tratamento do vidro coletor com um banho de ácido fluorsilícico, o que traria o aumento da superfície de reflexão interna do vidro.

• Elaborar mais estudos com o simulador numérico para que este possa gerar dados precisos, podendo assim ser útil no melhoramento do dimensionamento e manuseio de novos refrigeradores adsortivos.

• Fazer estudos de parâmetros

78

– REFERÉNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANYANWU EE. Energy Convers Manage 2003;44(2):301–12 BUCHTERA, F.; DINDA, P.H.; PONS, M. An experimental solar-powered adsorptive refrigerator tested in Burkina-Faso International Journal of Refrigeration 26 (2003) 79–86 CRITOPH, R.E. Carbon 1989;27(1):63–70. CRITOPH, R.E. Laboratory testing of an ammonia carbon solar refrigerator, ISES, Solar World Congress, Budapest,Hungary, August 23–26, 1993. CRITOPH, R.E. Solar Energy 1988;41(1):21–31. CRITOPH, R.E. Towards a one tonne per day solar ice maker, University of Warwick, Coventry CV4 7AL,UK,1996 CRITOPH, R.E.; Vogel, R. Intarnational Journal of Ambient Energy, 1969;7(4):183–90. DUPONT, M.; GUILLEMINOT, J.J.; MENUIER, F.; NGUYEN, P. Study of solar ice conservators using day night intermittent zeolite 13X–water cycle in temperate and tropical climates. Proceedings of meetings of Commission E1–E2,Jerusalem. Issued by International Institute of Refrigeration 1982:193–200. EXELL, R.H.B.; BHATTACHARAYA, S.C.; UPADHYAYA, Y.R. Solar cooling for cold storage applications using solid desiccants and adsorbents. In: Garg HP et al., editors. Physics and Technology of Solar Energy, Vol. 1. 1984. p. 405–11. EXELL, R.H.B.; BHATACHARYA, S.C.; UPADYAYA, Y.R. Research and development of solar-powered desiccant refrigeration for cold storage applications. Thailand: Asian Institute of Technology, 1987. GOMES, H.C. Technique of organic chemistry, Vol. 5. Adsorption and chromatography, 1951.

79

GRENIER, P.; GUILLEMINOT, J.J.; MEUNIER, F.; PONS, M. Journal of Solar Energy Eng 1988;110:192–7. GUILLEMINOT, J.J.; GRENIER, P.H.; MESTER, M.; MEUNIER, F.; PONS, M. Experimental results on a 12 m2 solar powered cold store using the intermittent zeolite 13X–water cycle. In: Szokolay SV, editor. Solar World Congress, Vol. 1.Pergamon Press; 1984. p. 353.

GUILLEMINOT, J.J.; MEUNIER, F.; PAKLEZA, J. Intarnational Journal of Heat Mass Transfer 1987;30(8):1595–606. GURGEL, J.M.; LISBOA, R.M.M.; ESPÍNOLA, J.J. Caracterização térmica de um resfriador de água por adsorção. 2o National Congress of mechanical engineering 2002, PB. HEADLEY, O.S.T.C.; KOTHIDWALA, A.F.; MCDOOM, I.A. Solar Energy 1994;53(2):191–7. IBGE, Censos Econômicos Agropecuários, 1995

KLEIN S.A. The effects of thermal capacitance upon the performance of flat-plate solar collectors, Ph.D. Thesis University of Wisconsin. Austrália, 1973. KLÜPPEL, R.P.; GURGEL, J.M.A. Solar adsorption cooling using silica gel/water. In: Bloss WF, Pfisterer F, editors. Advances in solar energy technology, vol. 3. Pergamon Press; 1987. p. 2627–31. KLÜPPEL,R.P.; VODIANITSKAIA, P.J.; Geladeira solar de adsorção sólida.,1983. Patente : n.8304946,. LI, M.; WANG, R.Z. A study of the effects of collector and environment parameters on the performance of a solar powered solid adsorption refrigerator Renewable Energy 27 (2002) 369–382 LI, C.H.; WANG, R.Z.; DAI, Y.J. Simulation and economic analysis of a solarpowered adsorption refrigerator using an evacuated tube for thermal insulation Renewable Energy 28 (2003) 249–269 MANUAL DO OPERADOR THERMACAMS45 FLIR SYSTEMS,2004. PASSOS, E.; MEUNIER, F.; GIANOLA, J.C. Thermodynamic performance improvement of an intermittent solar powered refrigeration cycle using adsorption of methanol on activated carbon. Journal of Heat Recovery Systems 1986;6:259–64.

80

PHILIP, S.K.; SINGHAI, A.K.; RAO, C.S.; MOHAN, S.; SOOTHA, G.D. Zeolite based solar refrigerator. Research report, Sarder Patel Renewable Energy Research Institute, Gujarat, India, 1993. PONS, M. Analysis of adsorption cycles with thermal regeneration based on the entropic mean temperatures, Applied Thermal Engineering, Vol. 17, p615-627, 1997. PONS, M.; GUILLEMINOT, J.J. Journal of Sol Energy Eng 1986;108:332–7. PONS, M.; GUILLEMINOT, J.J. Journal of Solar Energy Eng 1987;109(4):303–10. PONS, M.; HOMEPAGE. PONTES, F.C. Estudo da viabilidade econômica da refrigeração solar aplicada a conservação de leite em pequenas propriedades rurais do semi-árido nordestino, Dissertação de Mestrado apresentada à UFPB, João Pessoa, 1998. PRALON, F.L. A.; DAGUENET, M. Performance of a new solid adsorption ice maker with solar energy regeneration. Energy Conversion and Management 2000;41:1625–47. PRIDASAWAS, W.; NEMARIAM, T. Solar cooling, Assignment for Ph.D.Course, Technical University of Denmark, 2003. SAKODA, A.; SUZUKI, M. Japan J. Chem. Eng. 1984;17:52–8. SOFTWARE, ATLAS SOLARIMÉTRICO DO BRASIL TCHERNEV, D.I. Proc. 5th Int. Conf. on Zeolite, Heyden, London, 1980, pp. 788-794. TCHERNEV, D.I. Natural zeolites: Occurrence properties and use. London, UK: Pergamon Press; 1978. WANG, R.Z.; LI, M.; XU, Y.X., et al., A combined cycle of heating and adsorption refrigeration: theory and experiment, ASME J. Solar Energy Eng. 122 (1) (2002). WANG, R.Z.; LI, M.; WU, J.Y.; XU, Y.X. An energy efficient hybrid system of solar powered water heater and adsorption ice maker. Sol energy 2000;68(2):189–95.

81

ZHANG, L. Z. A three-dimensional non-equilibrium model for an intermittent adsorption cooling system Solar Energy Vol. 69, No. 1, pp. 27–35, 2000 ZIEGLER, F.; LAMP, P. European research on solar-assisted air conditioning, Review Paper, International Journal of Refrigeration, Vol. 21, p89-99, 1998.

82

Anexo 1 – Aferição de Termopares O processo de aferição dos dois termopares que foram utilizados junto com o

datataker para aquisição de dados de temperatura no reator (2 pontos), deu-se da seguinte forma:

Os termopares foram conectados cada um a uma porta no datataker e suas

extremidades ligadas a um termômetro padrão colocado em um recipiente térmico de isopor, submetido a três diferentes condições de temperatura constante:

1. Água com gelo (temperatura mais baixa) 2. Água na temperatura ambiente (temperatura média)

3. Água quente (temperatura mais alta)

Para obtenção da curva de aferição dos termopares, mediram-se as temperaturas através do datataker, de três em três minutos, anotando as respectivas temperaturas registradas pelo termômetro padrão. Após perceber que entrou em regime permanente, registrou-se (tanto pelo datataker, quanto visualmente no termômetro padrão) mais duas medidas (em 15min e 18min) e tirou-se a média das duas. Estes valores foram registrados nas tabelas abaixo, proporcionando a identificação das curvas de aferição dos cinco termopares. Tabela A.1 - Termopares ligados a uma garrafa térmica contendo água e gelo.

DATA HORA T1 T2 Temperatura padrão

31/12/04 10:00:00 1.4 0.4 0.4 31/12/04 10:03:00 1.4 0.5 0.3 31/12/04 10:06:00 1.3 0.6 0.2 31/12/04 10:09:00 1.1 0.5 0.2 31/12/04 10:12:00 1.2 0.5 0.2 31/12/04 10:15:00 0.9 0.8 0.2 Média das duas últimas 1.1 0.6 0.2 Tabela A.2 - Termopares ligados a uma garrafa térmica contendo água na temperatura ambiente.

DATA HORA T1 T2 Temperatura padrão

30/12/04 17:51:00 25.4 25.2 24.5 30/12/04 17:54:00 25.5 25.2 24.4 30/12/04 17:57:00 25.3 25.2 24.3 30/12/04 18:00:00 25.0 25.2 24.3 30/12/04 18:03:00 25.1 25.2 24.3 30/12/04 18:06:00 25.5 25.0 24.3

Média das duas últimas 25.3 25.1 24.3

83

Tabela A.3 - Termopares ligados a uma garrafa térmica contendo água quente.

DATA HORA T2 T5 Temperatura padrão

31/12/04 11:30:00 68.3 69.6 69 31/12/04 11:33:00 69.5 69.1 68.5 31/12/04 11:36:00 69.0 68.8 68.2 31/12/04 11:39:00 68.6 68.6 68 31/12/04 11:42:00 68.5 68.3 67.8 31/12/04 11:45:00 68.1 68.0 67.6

Média das duas últimas 68.3 68.2 67.7 Tabela A.4 - Comparação entre as temperaturas lidas pelos termopares e lidas através de Termômetro padrão.

Termopar1 Termopar2

temp padrão

temp. lida

temp padrão

temp. lida

0.2 1.1 0.2 0.6

24.3 25.3 24.3 25.1

67.7 68.3 67.7 68.2

Curvas de aferição:

84

Curva de Calibração Termopar 1

Tcorrigida = 1.005Tlida - 0.992

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60 70

Temperatura lida em Celsius

Tem

pera

tura

cor

rigid

a em

Cel

sius

Figura A.1 – Curva de Aferição do termopar 1

Curva de Calibração Termopar 2

Tcorrigida = 0.9995Tlida - 0.5505

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60 70

Temperatura lida em Celsius

Tem

pera

tura

cor

rigid

a em

Cel

sius

Figura A.2 – Curva de Aferição do termopar 2

Os dados obtidos na área foram transformados em tabelas do Microsoft Exel já utilizando estas curvas com suas respectivas equações.

85

Figura A.3 da aferição dos termopares utilizando um recipiente isolante contendo

água e gelo.

Figura A.4 da aferição dos termopares utilizando uma garrafa térmica contendo

água quente.

86

Figura A.5 da aferição dos termopares para medidas de temperatura ambiente.

Figura A.6 Sistema de aquisição de dados (datataker) utilizado para coletar os

dados e leva-los ao micro computador.

87

Anexo 2 – Tabela A.5 de dados da Sílica gel

BRAZMO NOME DO PRODUTO: SÍLICA GEL FISPQ n.º: 134 PÁGINA: 1 de 3 DATA DE ELABORAÇÃO: ABR/2002 – C.Q. REVISÃO N.º 00 DATA DA REVISÃO: ABR/2002

Ficha de Informações de Segurança de Produto Químico Indústria e Comércio Ltda 1. IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO E DA EMPRESA Nome do Produto: SÍLICA GEL Nome da Empresa: Brazmo Indústria e Comércio Ltda. Endereço: Rua Dr. Moisés Kahan, 134 – Barra Funda – São Paulo Telefone da Empresa: (xx11) 3879.5600 Fax: (xx11) 3879-5640 E-mail: brazmo@brazmo.com.br Tipos: Sílica Gel Azul 1/3mm; Sílica Gel Azul 2/5mm; Sílica Gel Azul 2,5/6,0mm; Sílica Gel Azul 4/8mm; Sílica Gel Branca 1/3mm; Sílica Gel Branca 2/5mm; Sílica Gel Branca 2,5/6,0mm; Sílica Gel Branca 4/8mm 2. COMPOSIÇÃO E INFORMAÇÕES SOBRE OS INGREDIENTES Tipo de produto: Substância Nome químico comum ou genérico: Sílica gel Sinônimo: Sílica gel com indicador; Sílica gel branca; Sílica gel azul. Ingredientes que contribuam para o perigo: Não é classificado como substância perigosa 3. IDENTIFICAÇÃO DE PERIGOS Perigos mais importantes: Não há. Trata-se de um produto inerte. Efeitos do produto Perigos específicos: Produto não inflamável, atóxico. Não perigoso. 4. MEDIDAS DE PRIMEIROS SOCORROS Medidas de primeiros-socorros Inalação: Procurar ar fresco e descansar. Não é provável que ocorram dificuldades respiratórias devido a sílica amorfa. Caso ocorram, use as técnicas padrões de primeiros socorros apropriados à condição do paciente e procure auxílio médico imediatamente. Contato com a pele: Lavar o local com água. Contato com os olhos: Lavar com água. Procurar o médico se alguma irritação ocorrer. Ingestão: Improvável causador de efeitos prejudiciais. Lavar a boca com água limpa. Beber água. 5. MEDIDAS DE COMBATE A INCÊNDIOS Meios de extinção apropriados: Compatível com todas as técnicas padrões de combate a incêndio. Não são necessários procedimentos especiais. 6. MEDIDAS DE CONTROLE PARA DERRAMAMENTO OU VAZAMENTO Precauções pessoais Remoção de fontes de ignição: Produto não inflamável. Controle de poeira: Evitar a geração de poeira. Usar proteção respiratória. Prevenção da inalação e do contato com a pele, mucosas e olhos: Usar os EPI’s adequados. Precauções para o meio ambiente: Se uma grande quantidade entrar com contato com rios e rede de esgotos, informe as autoridades locais. Métodos para limpeza Recuperação: Contenha o derramamento e sempre que possível, pulverize-lhe água a fim de minimizar a poeira. Uma vez tomados os cuidados contra a excessiva exposição à poeira (use a devida proteção respiratória), coloque o produto derramado em sacos ou em outros recipientes apropriados, para posterior disposição.

BRAZMO NOME DO PRODUTO: SÍLICA GEL FISPQ n.º: 134 PÁGINA: 2 de 3 DATA DE ELABORAÇÃO: ABR/2002 – C.Q. REVISÃO N.º 00 DATA DA REVISÃO: ABR/2002

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Ficha de Informações de Segurança de Produto Químico Indústria e Comércio Ltda 7. MANUSEIO E ARMAZENAMENTO MANUSEIO Medidas técnicas Prevenção de incêndio e explosão: Uma considerável carga de eletricidade estática pode-se acumular durante o manuseio mecânico do produto, a qual transformar-se-á em risco em ambientes que contenham vapores inflamáveis. Precauções para manuseio seguro: Utilizar equipamento de proteção individual adequado. Orientações para manuseio seguro: Área bem ventilada. Manter as embalagens sempre bem fechadas. Usar os EPI’s. não comer, beber ou fumar na área de manuseio. ARMAZENAMENTO Medidas técnicas apropriadas: Sacos e recipientes devem ser mantidos fechados em local seco. Condições de armazenamento Adequadas: Local seco, arejado e coberto. Produtos e materiais incompatíveis: Não aplicável produto inerte. Materiais seguros para embalagens Recomendadas: Saco revestido com polietileno. 8. CONTROLE DE EXPOSIÇÃO E PROTEÇÃO INDIVIDUAL Medidas de controle de engenharia: Se necessário, pode-se usar um exaustor no local, a fim de reduzir ao mínimo os níveis de poeira no ambiente de trabalho. Parâmetros de controle específicos Limites de exposição ocupacional: Sílica amorfa - ACGIH/TWA: 10 mg/m3 total de pó. Equipamentos de proteção individual apropriado Proteção respiratória: Equipamento protetor respiratório aprovado, quando houver perigo de ultrapassar os limites de exposição permitidos. Proteção das mãos: Luvas de algodão, plástico ou borracha. Proteção dos olhos: Óculos de segurança. Proteção da pele e do corpo: Avental apropriado. Medidas de higiene: Não comer, beber ou fumar no local de trabalho. 9. PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS Estado físico: Sólido Forma: Pérolas irregulares Cor: Branca e azul Odor: Inodoro pH: 3,5 a 8,0 (solução aquosa 10%) Temperaturas específicas nas quais ocorrem mudanças de estado físico Ponto de fusão: > 1000ºC Ponto de fulgor: Não aplicável. Produto não inflamável. Limites de explosividade Não aplicável. Produto não inflamável. Gravidade específica: 2,2 g/cm3

Densidade: Aprox. 0,7 g/ml Solubilidade: Insolúvel em água

BRAZMO NOME DO PRODUTO: SÍLICA GEL FISPQ n.º: 134 PÁGINA: 3 de 3 DATA DE ELABORAÇÃO: ABR/2002 – C.Q. REVISÃO N.º 00 DATA DA REVISÃO: ABR/2002

Ficha de Informações de Segurança de Produto Químico Indústria e Comércio Ltda 10. ESTABILIDADE E REATIVIDADE Condições específicas Instabilidade: Produto estável. Reações perigosas: Não há. Condições a evitar: Umidade. Produtos perigosos da decomposição: Nenhum. 11. INFORMAÇÃO TOXICOLÓGICA Informações de acordo com as diferentes vias de exposição

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Toxicidade aguda: LD50 (homem; sílica amorfa; ingestão): 15000 mg/kg Efeitos locais: Contato com a pele: efeito dessecante, alergias. / Contato com os olhos: desconforto e irritação moderada. / Inalação: não produz efeito nocivo ou tóxico. Entretanto pessoas com antecedentes médicos (asma, bronquite), podem agravar com a exposição ao pó. 12. INFORMAÇÕES ECOLÓGICAS Efeitos ambientais, comportamentos e impactos do produto. Mobilidade: Insolúvel em água. Comportamento esperado: A sílica gel é virtualmente inerte, e não se conhece nenhum efeito adverso sobre o meio ambiente. As sílicas gel azuis contem cobalto que é, entretanto incluído como uma substância da lista II do EEC, diretiva 76/464 no que se refere a controle das substâncias perigosas no meio ambiente aquático. 13. CONSIDERAÇÕES SOBRE TRATAMENTO E DISPOSIÇÃO Métodos de tratamento e disposição Produto, resíduos e embalagem: De acordo com a legislação local vigente. 14. INFORMAÇÕES SOBRE TRANSPORTE Produto não enquadrado como perigoso para o transporte, conforme Portaria 204 do Ministério dos Transportes. 15. REGULAMENTAÇÕES • Regulamentação de transporte rodoviário de produtos perigosos - Ministério dos Transportes - 1998 • OSHA, ACGIH 16. OUTRAS INFORMAÇÕES Referências bibliográficas: • FISPQ - fornecedores • Manual de autoproteção - manuseio e transporte rodoviário de produtos perigosos - PP5 (ed. 2000) Legenda: LD50: dose letal para 50% da população infectada / CAS: chemical abstracts service / TLV-TWA: é a concentração média ponderada permitida para uma jornada de 8 horas de trabalho / ACGIH: é uma organização de pessoal de agências governamentais ou instituições educacionais engajadas em programas de saúde e segurança ocupacional. ACGIH desenvolve e publica limites de exposição para centenas de substâncias químicas e agentes físicos. / OSHA: agência federal dos EUA com autoridade para regulamentação e cumprimento de disposições na área de segurança e saúde para indústrias e negócios nos USA. “As informações desta FISPQ representam os dados atuais e refletem o nosso melhor conhecimento para o manuseio apropriado deste produto sobre condições normais e de acordo com a aplicação específica na embalagem e/ou literatura. Qualquer outro uso do produto que envolva o uso combinado com outro produto ou outros processos é de responsabilidade do usuário.” “A BRAZMO é uma empresa estritamente comercial, sendo apenas fornecedora, importadora e revendedora de produtos químicos. Os dados desta ficha foram baseados nas fichas de informações de produtos químicos de nossos fornecedores, portanto não nos responsabilizamos pelos dados descritos.”

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Anexo 3 – Atlas Solarimétrico do Brasil

Aqui serão expostas as etapas do procedimento do levantamento de dados solarimétricos utilizando o Atlas:

Tela de apresentação:

Figura A.7 Tela de apresentação do programa

Ferramenta de cálculo:

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Figura A.8 Ferramenta de cálculo

Definição da inclinação do coletor solar:

Figura A.9 Definição da inclinação do coletor

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Definição do modelo de radiação coletada:

Figura A.10 Definição do modelo de radiação coletada Resultados da radiação coletada em um plano inclinado 15º na direção norte:

Figura A.11 Resultados da radiação coletada em um plano inclinado 15º na direção norte

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Os dados históricos contidos no Atlas são provenientes de séries temporais diárias sintetizadas através de matrizes de transição. Para obterem-se os dados horários de radiação solar, o programa faz uma degradação determinística em dados horários através do método de Collares Pereira utilizando correlações experimentais.

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Anexo 4 – Dados da câmera infravermelho

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