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  • Captulo 1. Introduo---------------------------------------------------------------------------------- 18

    1 Introduo

    A Refrigerao a tcnica de retirar energia em um processo. Existem na

    atualidade muitos mtodos e tecnologias com o objetivo de melhorar a eficincia

    e, em conseqncia, diminuir o custo de produo nos processos de refrigerao.

    Existem tambm limitaes para poder aplicar essas tecnologias: por exemplo, em

    uma indstria de derivados lcteos necessrio resfriar o leite rapidamente para

    evitar a sua degradao.

    A dificuldade que o projeto do sistema de refrigerao deve considerar que

    o horrio de chegada do leite dos coletores fixo. Este horrio coincide com o que

    chamamos de perodo de pico, no qual o consumo de energia eltrica alto e,

    por conseguinte, de custo elevado. A soluo para este problema adicionar uma

    outra tecnologia: armazenar o frio fora desse horrio de pico (com custo de

    energia mas baixo) e utiliz-lo no perodo de pico ou quando seja necessrio

    (corte da energia eltrica por exemplo). Esta tecnologia chamada

    termoacumulao e surgiu h muito tempo atrs com a necessidade do homem

    de armazenar energia.

    Tem-se, principalmente (dependendo da aplicao), armazenamento de

    calor sensvel ou latente. Para os processos de termoacumulao geralmente

    utilizada a gua (lquida ou como gelo) ou solues aquosas; isto, devido s suas

    propriedades termo-fsicas valiosas: o calor latente elevado, propriedades estveis,

    fcil disponibilidade, toxicidade nula e, finalmente, o baixo custo.

    Porm, ao melhorar o processo de termoacumulao utilizando gua,

    aparecem fenmenos, como por exemplo o super-resfriamento, motivo deste

    trabalho, em um estado termodinmico metaestvel no qual a gua permanece

    lquida em temperaturas inferiores de solidificao. Quando o super-

    resfriamento aparece, a gua permanece em estado lquido metaestvel e o

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  • Captulo 1. Introduo---------------------------------------------------------------------------------- 19

    processo de termoacumulao no funciona como esperado. A ltima gerao de

    termoacumulao utiliza cpsulas esfricas ou cilndricas. O super-resfriamento

    observado com maior freqncia nestes sistemas e tem trazido conseqncias

    preocupantes.

    1.1. Termoacumulao Encapsulada

    A termoacumulao se aplica em sistemas de refrigerao e

    condicionamento de ar para evitar o consumo de energia eltrica no horrio de

    pico e para reduzir a demanda calculada para a mxima carga trmica.

    A Fig. 1 apresenta um exemplo do processo de termoacumulao. Pode-se

    observar que, no incio, a potncia instalada sem termoacumulao (potist) 1350

    TR aproximadamente e o chiller ao longo do dia gera potncia segundo a carga

    trmica (linha com quadrados). No processo de termoacumulao a potncia

    trmica instalada (poti.c.t.), reduzida para 750 TR aproximadamente (reduo de

    37%), alm do que o equipamento funciona com 100% de potncia (mxima

    eficincia) e desligado no horrio de pico (linha com crculos).

    Voltando para a Fig. 1, A rea azul a energia gerada pelo chiller e que vai

    ser termoacumulada (Tanque por exemplo). A rea em vermelho representa a

    energia que gerada pelo chiller e vai atender carga trmica. A rea verde a

    energia que foi armazenada e compensa a potencia gerada pelo chiller para

    atender carga trmica.

    Atualmente se desenvolvem sistemas de termoacumulao em cpsulas

    usando gua como material de mudana de fase (MMF), podendo variar a

    geometria e volume (Fig. 2). Assim, com esta tecnologia, melhora-se o processo

    de transferncia de calor (maior rea de transferncia de calor, menor resistncia

    trmica, etc.) e pode-se modificar facilmente a capacidade do sistema aumentando

    ou diminuindo o nmero de cpsulas.

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    -100

    100

    300

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    900

    1100

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    06 --

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    00

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    01

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    02

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    03

    03 --

    04

    04 --

    05

    05 --

    06

    [ HR ]

    [ TR

    ]

    Chiller ao tanque

    Tanque carga trmica

    Chiller carga termica

    Potencia chiller sem termoac.

    Potncia chiller com termoac.

    pot i.s.t.

    pot i.c.t.

    periodo pico

    Figura 1. Diagrama geral do processo de termoacumulao.

    Figura 2. Modelo de cpsulas de termoacumulao, modelos das empresas TW Taiwan,

    cryogel e teap energy respeitivamente.

    1.2. Super-resfriamento

    No processo de solidificao da gua, sabemos que o arranjo da fase slida

    cristalino, significando que as molculas so acomodadas em uma estrutura

    repetitiva. A formao do cristal obtida quando, do movimento aleatrio dos

    tomos, surge uma estrutura especial, com um nvel adequado de energia para a

    formao de gelo. Neste processo (Fig. 3), possvel que a temperatura do

    material seja reduzida abaixo da temperatura de mudana de fase (Tm) sem

    formao de slido. Este estado termodinamicamente metaestvel (liquido

    metaestvel), onde a temperatura da gua alcana valores abaixo que Tm,

    fenmeno conhecido por super-resfriamento, onde (Tm-Tn) chamado de grau de

    super-resfriamento (GSR). O estado metaestvel finaliza quando a nucleao

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  • Captulo 1. Introduo---------------------------------------------------------------------------------- 21

    acontece (T=Tn) e finos cristais de gelo dendrtico crescem na regio da gua

    super resfriada. Neste processo, calor latente liberado pelo gelo dendrtico

    transferido para a gua super resfriada. O final do crescimento, que ocorre em um

    breve espao de tempo, se d quando a temperatura da gua (ou parte dela) na

    vizinhana do slido retorna a Tm. Se o estado metaestvel permanece no

    processo de termoacumulao, energia trmica pode s ser armazenada em forma

    de calor sensvel, sendo prejudicial para o processo de termoacumulao

    No processo de resfriamento da gua em cpsulas, podem-se observar

    diferentes curvas caractersticas. Esta classificao foi realizada com base nos

    resultados experimentais deste trabalho. O motivo pelo qual se apresenta neste

    capitulo meramente didtico e os grficos so para anlise qualitativa.

    Ti

    Tm

    Tmme

    TnTfce

    T

    t

    GSR

    Figura 3. Diagrama de mudana de fase da gua.

    1.2.1. gua sem Super-resfriamento e com mudana de fase evidente

    Pode-se observar, na Fig. 4, o processo de solidificao onde o MMF

    resfriado passando pelo mximo de massa especfica (a), sem super resfriar. A

    gua atinge a temperatura de nucleao Tm (d) iniciando o processo de mudana

    de fase (e) at finalizar a solidificao (f), quando inicia o processo de

    armazenamento de calor sensvel (g).

    Formao de gelo dendrtico

    gua super-resfriada

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    a

    e

    g

    a d, e f,g agua lquida

    gelo cristalino

    fd

    Ti

    Tm

    Tft

    T

    Tmme

    tgelo,armazenamento de calor

    sensvel

    mudana de fasearmazenamento de

    calor latente

    gua lquida,

    armazenamentode calorsensvel

    posio do termopar

    Figura 4. gua sem super-resfriamento e mudana de fase evidente.

    1.2.2. gua com super-resfriamento e mudana de fase evidente

    O processo mostrado na Fig. 5, pode-se observar que o fluido resfriado

    passando pela temperatura de mximo de massa especfica (Tmme) at atingir o

    grau de super-resfriamento. Em seguida a nucleao acontece dando incio ao

    processo de solidificao.

    Voltando Fig. 5, observamos que em a a gua est em estado lquido

    estvel, em (b) fica super resfriada, em (c) ocorre formao de gelo dendrtico,

    em (d) se inicia a formao de gelo cristalino. A mudana de fase acontece ao

    longo da linha (e). A finalizao da formao de gelo em (f) e o armazenamento

    de calor sensvel no gelo em (g).

    Na maioria das experincias realizadas foi observado este comportamento,

    e semelhante ao apresentado por Che net al (1999).

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  • Captulo 1. Introduo---------------------------------------------------------------------------------- 23

    formaode gelo dendrtico

    a

    b c

    d e

    g

    tgeloarmazenamentode calor sensvel

    mudana de fase (gua + gelo)armazenamento de calor latente

    gua lquidaarmazenamento

    de calor sensvel

    Ti

    Tm

    Tmme

    TnTft

    T

    GSR

    f

    gua com super resfriamento e mudana de fase evidente

    a, b c d e f,g

    agua lquida

    gelo dendrtico

    gelo cristalino

    posio do termopar

    Figura 5. Super-resfriamento da gua com mudana de fas