Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas
DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DIDÁTICO
PARA SIMULAÇÃO DE UM CICLO FRIGORÍFICO POR
ABSORÇÃO
Jose Donizeti Tagliaferro
Campinas – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2008
Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas
DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DIDÁTICO PARA
SIMULAÇÃO DE UM CICLO FRIGORÍFICO POR ABSORÇÃO
Jose Donizeti Tagliaferro
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de
Conclusão de Curso, do Curso de Eng. Mecânica
Automação e Sistemas da Universidade São Francisco,
sob a orientação do Prof. Dr.: Paulo Roberto Tardin Jr,
como exigência parcial para conclusão do curso de
graduação.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Roberto Tardin Jr
Campinas – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2008
DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DIDÁTICO PARA
SIMULAÇÃO DE UM CICLO FRIGORÍFICO POR ABSORÇÃO
JOSE DONIZETI TAGLIAFERRO
Monografia defendida e aprovada em 18 de Dezembro de 2008 pela Banca
Examinadora assim constituída:
Prof. Dr.: Paulo Roberto Tardin Jr (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Prof. Osmar Roberto Bagnato
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Prof. Guilherme Bezzon
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Agradecimentos
Aos membros da banca examinadora por se dedicarem à avaliação
deste trabalho e por suas contribuições, valorizando o tema desta dissertação.
Agradecimento especial ao meu orientador, Prof. Dr.: Paulo Roberto
Tardin Jr, pelas sugestões e pela atenção dispensada ao longo do período de
elaboração deste trabalho.
A todos os professores do curso de Engenharia Mecânica, que de um
modo ou de outro colaboraram para realização deste trabalho.
Pelo carinho, paciência, apoio e companhia, sendo uma das poucas
testemunhas do cansaço e preocupações que passei em alguns momentos
para conseguir administrar minha vida pessoal e profissional e concluir este
trabalho, agradeço em especial meu pai Jose Tagliaferro (in memorian,
25/12/2007), minha mãe Rosina Saballo Tagliaferro, meu filho Israel e meus
irmãos que acreditaram em mim.
Aos colegas da faculdade que em alguns momentos me apoiaram com
palavras de incentivo para continuar.
E não menos importante, agradeço a Deus por ser a inspiração de
minha vida.
Obrigado.
RESUMO....................................................................................................... 5
ABSTRACT..................................................................................................... 6
1. INTRODUÇÃO......................................................................................... 7
1.1 OBJETIVO............................................................................................. 8
1.2 JUSTIFICATIVA................................................................................... 8
2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA................................................................. 9
2.1 BREVE HISTÓRICO.............................................................................. 9
2.2 SISTEMA ELETROLUX....................................................................... 13
3. ASPECTOS TEÓRICOS....................................................................... 15
3.1 DESCRIÇÃO GERAL DO CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR
ABSORÇÃO......................................................................................... 15
3.2 MODELO MATEMATICO..................................................................... 17
A)GERADOR....................................................................................... 20
B) CONDENSADOR............................................................................ 21
C) EVAPORADOR.............................................................................. 22
D) ABSORVEDOR.............................................................................. 23
3.3 SOLUÇÃO ÁGUA-AMÔNIA COMO FLUIDO REFRIGERANTE........ 24
PROPRIEDADES FISICO-QUÍMICA E RISCOS DA
SOLUÇÃO REFRIGERANTE............................................................. 25
4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL................................................... 27
4.1 DIMENSIONAMENTO FO PROTÓTIPO............................................. 27
4.2 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO...................................................... 27
4.3 TESTES REALIZADOS....................................................................... 28
TESTE DE PRESSÃO........................................................................ 28
PROCEDIMENTO PARA FUNCIONAMENTO DO PROTÓTIPO...... 29
2
TESTE 1............................................................................................. 30
TESTE 2............................................................................................. 31
TESTE 3............................................................................................. 32
TESTE 4............................................................................................. 32
4.4 CONFIGURAÇÕES DO PROTÓTIPO................................................ 33
5 RESULTADOS......................................................................................... 34
5.1 DESEMPENHO DO PROTÓTIPO...................................................... 34
6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES............................................ 36
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS.................................................. 38
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Detalhe do experimento de Faraday.............................................. 10
Figura 2.2: Gustav e Baltzar ao lado de seu protótipo Eletrolux....................... 14
Figura 2.3: Sistema Eletrolux de refrigeração por absorção............................. 14
Figura 3.1: Detalhamento do fluxo de um ciclo de refrigeração por
absorção......................................................................................... 17
Figura 3.2: Representação esquematizada do processo termodinâmico......... 18
Figura 3.3: Diagrama P-h de um processo de refrigeração.............................. 18
Figura 3.4: Volume de Controle no gerador...................................................... 20
Figura 3.5: Volume de Controle no condensador............................................. 21
Figura 3.5: Volume de Controle no evaporador................................................ 22
Figura 3.7: Volume de Controle no absorvedor................................................ 23
Figura 4.1: Manômetro de pressão do compressor.......................................... 28
Figura 4.2: Altura do condensador em relação ao evaporador......................... 31
Figura 4.3: Fase final da montagem do protótipo............................................. 33
3
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Pares absorventes - refrigerantes................................................. 12
Tabela 3.1: Característica da amônia.............................................................. 25
Tabela 4.1: Lista de material utilizado para montagem do protótipo................ 27
Tabela 5.1: Resultados obtidos para o protótipo otimizado............................. 34
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 5.1: Gráfico de temperatura no evaporador x temperatura
no gerador..................................................................................... 35
Gráfico 5.2: Gráfico de temperatura no evaporador x tempo........................... 36
NOMENCLATURAS
.
m – Vazão mássica [ kg/s ]
.
q – Taxa de transferência de calor [J/s]
h – Entalpia especifica [J/kg]
x – Concentração [%]
P – Pressão [kg/cm²]
T – Temperatura [ºC]
SUBSCRITOS
1, 2,3... – Indicação do ponto
co – Condensador
ev – Evaporador
ab - Absorvedor
ge – Gerador
e – Entrada
s – Saída
4
RESUMO
Neste trabalho são descritas tecnologias existentes para refrigeração e
proposto um sistema que opera com uma solução água-amônia usando o calor
como fonte de energia. Um protótipo foi construído e testado com sucesso para
simulação de um ciclo frigorífico por absorção para fins didáticos. O
equipamento não requer energia elétrica para promover refrigeração e assim
tem potencial para ser usado na conservação de alimentos em áreas carentes
de energia elétrica. O protótipo foi aperfeiçoado ao longo do projeto com o
objetivo de aumentar a sua capacidade frigorífica. O fluido refrigerante utilizado
– amônia - é perigoso a saúde humana quando exposto ao ambiente, podendo
causar seqüelas em caso de contato. Assim, o protótipo requer a adoção de
certos procedimentos de segurança para operá-lo. Após vários testes chegouse a conclusão de que a temperatura no aquecedor deve manter-se constante
a 75ºC para que o vapor de água não atinja o evaporador provocando aumento
de temperatura no mesmo e reduzindo a capacidade frigorífica do protótipo.
Após otimização obteve-se uma queda de temperatura de aproximadamente 6
(seis) oC no evaporador comparada a temperatura ambiente local. Como
melhoria seria apropriado instalar um termostato para manter a temperatura
constante no aquecedor.
5
ABSTRACT
In this work are described current refrigeration technologies and an
absorption refrigeration prototype was built using water-ammonia solution and
combustion heat as the main energy input. The prototype was successfully
tested to simulate an absorption refrigeration thermodynamic cycle which could
be applied in under-graduate didactic labs. This equipment has potential to be
applied in remote areas where electrical power is unlikely to be available. The
prototype was optimized along the Project aiming to improve its refrigeration
capacity. The refrigeration fluid applied – ammonia – is dangerous to human
healthy when released to environment. Regarding this several safety
procedures should be in place in order to avoid safety incidents when operating
the system. After several tests performed it was concluded that the optimum
heating temperature is 73ºC. This temperature will provide the maximum
refrigeration capacity and will avoid water vaporization. The optimized prototype
achieved evaporator temperature 6 oC below local environment temperature.
Additional improvements could be done at the prototype like thermostate
implementation to maintain heating zone temperature constant.
6
1. INTRODUÇÃO
Considerações econômicas e
ambientais
trouxeram um
novo
interesse nos sistemas de refrigeração alimentados por uma fonte de calor
alternativa. Um esforço considerável de pesquisa tem sido investido no estudo
de sistemas de refrigeração deste tipo nos últimos anos.
Sistemas
de
refrigeração
por
absorção
apresentam-se
como
alternativa para os sistemas de compressão de vapor possuindo como
vantagem à utilização de energia térmica, que é menos nobre, substituindo
uma parte da energia elétrica necessária para obtenção do efeito desejado.
Resfriadores (chillers) de absorção são extensamente utilizados em
indústrias de ar condicionado, em parte porque eles podem ser acionados
através de água quente, vapor, queima do gás natural, energia solar,
biomassa, dentre outros, em vez de eletricidade. Estes sistemas permitem
reduzir os picos de demanda elétrica. Eles proporcionam segurança e
confiabilidade, podendo-se citar os EUA e o Japão, onde a climatização a gás
é um sistema plenamente consolidado e considerado clássico por seu tempo
de utilização.
A destruição da camada de ozônio pelo uso de CFC’s e HCFC’s é o
principal
impacto
ambiental
relacionado
a
sistemas
de
refrigeração
convencionais, tendo em vista estimativas de taxas de vazamento de gases
refrigerantes que variam de 5 a 25%. Esse assunto foi tratado no Protocolo
de Montreal sobre Substâncias que Destroem a Camada de Ozônio
(http://www.ecolnews.com.br/camadadeozonio/prot_mont.htm) e ratificado pela
maioria dos países, inclusive o Brasil.
Os principais componentes dos refrigeradores por absorção são:
aquecedor, absorvedor, condensador e evaporador, requerendo em algumas
situações uma torre de resfriamento de água adicional para remover calor e
manter as temperaturas desejáveis no absorvedor e no condensador.
7
Diferentes ciclos termodinâmicos, tipos de máquinas (refrigeração,
bombas de calor e trocadores de calor) e novos fluidos de trabalho, têm sido
propostos por numerosos autores em todo o mundo nas últimas décadas.
Dentre algumas soluções para geração de frio, uma das mais interessantes
ainda permanece sendo o ciclo de absorção.
O Instituto Internacional de Climatização e Refrigeração em Paris
http://www.nteditorial.com.br/revista/Materias/?RevistaID1=1&Edicao=39&id=28
9 calculou que aproximadamente 15% de toda a eletricidade produzida
mundialmente é utilizada para refrigeração e condicionamento de ar, portanto
ciclos de refrigeração por absorção apresentam-se como alternativa viável
para a economia de energia elétrica.
OBJETIVO
Este trabalho tem como objetivo construir um protótipo para
realização de um ciclo frigorífico por absorção utilizando-se de fenômenos
termodinâmicos e amônia como fluido refrigerante, o qual poderá ter
aplicações em áreas que tenham carência de energia elétrica.
O calor utilizado para fornecer energia térmica ao absorvedor é
obtido através de um queimador à gás.
JUSTIFICATIVA
Este protótipo justifica-se pelo potencial de uso em Laboratório de
Sistemas Térmicos e pela demonstração de uma tecnologia viável em áreas
remotas aonde a energia elétrica não se encontra disponível, visto que
qualquer fonte de calor marginal poderia ser utilizada como energia primária
para o refrigerador por absorção.
8
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 BREVE HISTÓRICO
O sistema de absorção água-amônia é um dos mais antigos métodos
de refrigeração. Amônia é utilizada como refrigerante e a água, como
absorvente. O sistema pode ser usado em qualquer aplicação onde a amônia
seja o refrigerante apropriado. Os fundamentos da refrigeração por absorção
aparecem descritos por autores clássicos da engenharia, como Perry et al.
(1975) e Faires e Simmang (1978).
A literatura de Cortez (1998) apresenta um sistema de refrigeração
intermitente construído em 1810 por Sir John Leslie usando o par água-ácido
sulfúrico. O equipamento era construído por dois reservatórios interligados e
evacuados, sendo que a água contida em um dos reservatórios absorvia o
ácido sulfúrico contido no outro.
Torreira (1979) descreve que em 1824 Faraday fez experimentos para
liquefazer alguns gases, dentre eles a amônia, que até aquele momento
acreditava-se existir na fase gasosa somente. Ele expôs cloreto de prata ao
gás de amônia e colocou essa mistura em um destilador (Figura 2.1). O
destilador de Faraday era constituído de duas esferas de vidro interligadas
por um tubo formando um sistema isolado da atmosfera. Ao aquecer a
primeira esfera o gás de amônia se desprendeu da solução condensando-se
na segunda esfera. No momento em que foi interrompido o aquecimento na
primeira esfera a amônia liquida evaporou retornando para o cloreto de prata.
A energia necessária para a evaporação da amônia foi retirada do segundo
recipiente no qual o mesmo se resfriou, para a surpresa de Faraday.
9
Figura 2.1: Detalhe do experimento de Faraday.
Fonte: Raul Peragallo Torreira, 1979.
A modelagem e a simulação da refrigeração por absorção têm sido
amplamente abordadas na literatura. Os temas mais tratados são os fatores
que influem no desempenho de tais sistemas e a otimização dos mesmos. Os
trabalhos de análise de ciclos de absorção agrupam-se entre aqueles que
fazem uma análise baseada na Primeira Lei da Termodinâmica [3] e os que
abordam sob a ótica da Segunda Lei da Termodinâmica [3], incluídas aí as
análises termo econômicas. Estes dois grandes grupos subdividem-se em
modelos fundamentais, empíricos e semi-empíricos. Alguns artigos baseiamse em soluções gráficas, enquanto que, com o advento da computação
numérica, os modelos recentes baseiam-se nesta última.
No primeiro grupo, para sistemas de diferentes configurações e graus
de complexidade, destacam-se Misra et al (2006), Chua et al (2000), Patnaik e
Perez- Blanco (1993), Fernández-Seara et al (2002) os quais apresentam
análises recentes da transferência de calor e massa nos processos de
destilação dos sistemas de refrigeração por absorção.
Os ciclos baseados nos processos de absorção da mistura água-amônia
têm sido amplamente estudados e apresentados em livros texto. Threlkeld
(1970) utiliza uma solução gráfica baseada no diagrama pressão-entalpia da
solução água-amônia. Perry (1997) apresenta uma profunda caracterização
dos processos e equipamentos envolvidos na refrigeração por absorção. Na
simulação dos ciclos destaca-se os trabalhos de Grossman e co-autores
(1983, 1984 e 2001) que desenvolveram o ABSIM, programa que constitui uma
ferramenta
de
avaliação
para
sistemas
de
absorção
em
diferentes
10
configurações e diferentes fluidos de trabalho, amplamente usado nas
pesquisas sobre o tema.
Outro aspecto amplamente abordado é o referente às particularidades
dos elementos mais complexos que intervêm nos ciclos de absorção: o
absorvedor e o aquecedor. Murphree (1925) propôs uma definição para a
eficiência de prato, a qual tem sido a mais amplamente adotada. Modelos com
vários graus de complexidade têm sido desenvolvidos para absorvedores de
película descendente (falling-film absorbers), os quais são discutidos em
detalhe no trabalho de Killon e Garimella (2001). Grossman (1983) resolveu
analiticamente as equações de difusão em absorvedores de película
descendente. Ibrahim e Vinnicombe (1993) apresentaram um modelo numérico
baseado no método de diferenças finitas para absorvedores em fluxo
contracorrente.
Patnaik
e
Perez-Blanco
(1993)
desenvolveram
uma
aproximação para tratar estes equipamentos como trocadores de calor e
massa em escoamento contracorrente.
Conlisk (1993) apresentou um
procedimento gráfico para projeto de absorvedores. Bogart (1981) apontou os
efeitos negativos da presença de água no vapor refrigerante. Ele usou um
modelo simples do estado de equilíbrio, baseado no método de Ponchon,
para determinar a quantidade teórica de pratos requerida para uma separação
específica. O afastamento das condições de equilíbrio para cada estágio é
normalmente contabilizado pela eficiência de prato, a qual é geralmente
considerada igual para todos os eles. Modelos mais recentes, para colunas de
enchimento, consideram a resistência à transferência de calor e massa das
fases líquidas e vapor. Nestes modelos a coluna é dividida em seções onde
são aplicados os balanços de massa e energia (Krishnamurthy e Taylor, 1985)
ou utilizam-se equações diferenciais que são resolvidas por métodos
numéricos (Feinthuch e Treybal, 1978).
Estes são exemplos recentes do esforço crescente de se melhor
caracterizar processos e componentes presentes no ciclo de refrigeração por
absorção.
No grupo de trabalhos baseados na Segunda Lei da Termodinâmica,
11
os trabalhos vão desde a determinação das irreversibilidades internas (Ng et
al, 1997 e Morejón e Brum, 2001), das equações de geração de entropia
para cada componente e da minimização da mesma (Chua et al, 2000), até
estudos que usam a teoria do custo exergético para determinar os custos
monetários de cada um dos elementos e fluidos de trabalho que compõem os
sistemas (Misra e Grupta, 2006).
As análises de acordo com a Segunda Lei têm sido aplicadas de
diversas formas. Podem-se, também, citar os importantes trabalhos de
Tsatsaronis (1997) e Bejan et al (1995).
Vargas e Bejan (2000) utilizaram o ciclo de refrigeração por absorção
para demonstrar a otimização das áreas dos trocadores de calor. Bejan (1996)
introduziu o método conhecido pelo nome genérico de minimização da geração
de entropia e o aplicou para o ciclo de refrigeração por absorção.
Rademarcher (1996), por outro lado, apresenta uma análise completa
começando pelos balanços de massa e energia e concluindo com a
determinação da geração de entropia para diversos esquemas e vários pares
de absorção, conforme Tabela 2.1.
Tabela 2.1: Pares absorventes - refrigerantes.
Absorvente
Água
Solução de água e Brometo de Lítio
Solução Cloreto de lítio
Ácido Sulfúrico
Hidróxido de Sódio ou Potássio
Nitrato de lítio
Sulfocianeto de Amônia
Tetracloroetano
Dimetil Eter Tetraetileno Glicol
Óleo de Parafina
Glicol etílico
Éter Dimetílico ou Glicol Tetraetílico
Refrigerante
Amônia, Metil-amina ou outras aminas
Água
Metanol
Água
Água
Amônia
Amônia
Cloreto de Etila
Cloreto de metileno
Tolueno ou Pentano
Metil amina
Monofluor Dicloro metano ou
12
Um grupo importante de trabalhos está relacionado com os processos
de transferência de massa e de calor que ocorrem nos ciclos de absorção.
Choudhury et al. (1993) desenvolveu um modelo numérico para escoamento
em tubos horizontais. Estes modelos consideram o escoamento de película
descendente na região de escoamento laminar. Grossman e Heath (1984) e
Yuksel e Schlunder (1987) desenvolveram modelos numéricos para analisar a
transferência de calor e massa em película descendente turbulenta, que
posteriormente foram comparados com dados experimentais, obtendo-se bons
resultados.
Raisul et al. (2003) desenvolveram modelo para o fluido na região
laminar e acharam expressões para a transferência de calor e massa
em absorvedores tubulares verticais a partir de dados experimentais. Uma
análise teórica do ciclo de refrigeração por absorção operando em regime
transiente e a simulação do mesmo foi apresentada por Morejón (2001).
Diversas configurações dos ciclos de absorção são analisadas.
Trabalhos como o de Pohl e Grossman, (1998) abordam ciclos abertos e
semi-abertos e de Joudi e Lafta (2001) estudam ciclos simples.
Pereira (2006b) apresenta uma análise experimental do sistema
Robur, modelo GAHP-W, levantando pontos experimentais resultantes da
medição da vazão e a temperatura para os produtos água fria e água
quente. No seu trabalho avaliam-se os desempenhos baseados na primeira e
segunda lei da Termodinâmica e determinam-se os pontos ótimos das vazões
para as taxas máximas de frio e calor produzidos. Os resultados experimentais
obtidos são usados no trabalho para validar a simulação.
2.2 SISTEMA ELETROLUX
Em 1922 dois estudantes de engenharia suecos, Baltzar Von
Platem e Carl Gustav Munters, patentearam uma máquina de refrigeração
de funcionamento contínuo ilustrada na Figura 2.2 ao lado de seus
inventores. Tal equipamento produzido inicialmente por seus criadores teve
13
sua patente adquirida pela Electrolux, que a usou para projetar-se
definitivamente no mercado de eletrodomésticos. O sistema é o mais popular
de todos os sistemas de refrigeração por absorção e é extensamente
empregado em refrigeradores domésticos. Seu funcionamento é baseado na
lei das pressões parciais ou Lei de Dalton, segundo a qual em um recipiente
contendo mais de um gás, a pressão total é a soma da pressão parcial de
cada gás.
Figura 2.2: Gustav e Baltzar ao lado de seu protótipo Electrolux.
Fonte: Cortez L. A, 1998.
No sistema Electrolux é empregado três fluidos: um refrigerante,
geralmente amônia, um absorvente, geralmente água e um gás inerte tal
como hidrogênio, conforme Figura 2.3 (Antoine Laurent de Lavoisier, 1794).
Figura 2.3: Sistema Eletrolux de refrigeração por absorção.
Fonte: Eletrolux, 2005.
14
O protótipo desenvolvido neste trabalho baseia-se no sistema Eletrolux,
empregando uma mistura água-amônia como fluido de trabalho e adicionando
hidrogênio ao sistema a partir de eletrólise.
3. ASPECTOS TEÓRICOS
3.1 DESCRIÇÃO GERAL DO CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
Quando um líquido absorve calor do ambiente, ele evapora. Por
exemplo, quando se passa álcool nas mãos, estas ficam frias já que o álcool
absorve seu calor e evapora. Os equipamentos de refrigeração são projetados
obedecendo a este princípio. A água evapora a 100ºC sob pressão atmosférica
padrão (760 mmHg); a amônia evapora nas mesmas condições atmosféricas e
a temperatura de 32°C (Roy J. Dossat, 2004), sendo esta mudança de fase de
liquida para vapor podendo ser promovida por uma fonte de calor externa.
No protótipo desenvolvido neste trabalho é utilizada água destilada
para auxiliar na recuperação da amônia.
A Figura 3.1 detalha o funcionamento de um ciclo de refrigeração por
absorção.
Ao se colocar em funcionamento o ciclo de absorção, com o
aquecimento do tubo- bomba em (C), a solução de água destilada a 66% e
amônia a 34% - valores aproximados (Roy J. Dossat, 2004), começa a
movimentar-se por convecção natural.
Conforme mostra o esquema, existem dois tubos concêntricos em (C)
- seção K- K. No tubo central, uma solução forte de amônia e água é
transportada de forma ascendente por diferença de densidade. Quando a
solução chega à parte mais alta do tubo central, a água retorna pelo tubo
externo, voltando para o tanque de absorção. A amônia, na fase vapor, e a
uma temperatura de aproximadamente 65°C, caminha pelo tubo (D), que é
15
um pré-condensador, até o condensador.
A amônia então é resfriada pela troca de calor com o ambiente,
representado por Q2. A amônia não é totalmente condensada no condensador,
coexistindo de forma líquida e vapor. A amônia liquida mais densa, vai para o
tubo do evaporador e o vapor de amônia, mais leve, segue pelo tubo (E) ao
tanque de absorção (G). A amônia liquida que sai do condensador e entra no
evaporador, se expande para um tubo de área de seção transversal maior.
Nesse momento, absorve o hidrogênio que vem do absorvedor e do tubo (H).
O absorvedor é construído em forma de serpentina espiral, a fim de
evitar que a solução fique estagnada e não prejudique a circulação do
hidrogênio.
No evaporador ocorre a troca de calor com a carga térmica Q1,
conseguiu-se temperaturas sensivelmente inferiores em relação à temperatura
ambiente.
No evaporador, conforme mostrado na seção J-J, existem três
tubos, sendo dois deles concêntricos.
No tubo interno flui gás hidrogênio, e no tubo externo flui amônia e
hidrogênio, que retorna para o tanque de absorção.
No tanque de absorção, a amônia e o hidrogênio, proveniente do
evaporador, se misturam com a água que lá está contida. Como a amônia tem
mais afinidade com a água, ela libera o hidrogênio, que flui, por ser mais leve,
para o tubo (H) e pelo absorvedor. Com a mistura de amônia e água, e a
liberação do hidrogênio, forma-se uma solução forte novamente, deslocandose para os tubos concêntricos (C), e então reiniciando o ciclo.
16
A ilustração a seguir mostra um ciclo completo de refrigeração por
absorção e este foi o modelo utilizado para a construção do protótipo deste
trabalho.
Figura 3.1: Detalhamento do fluxo de um ciclo de refrigeração por absorção.
Fonte: Roy J. Dossat, Princípios de Refrigeração, 2004.
3.2 MODELO MATEMÁTICO
O modelo matemático apresentado a seguir é baseado em equações
fundamentais (GORDON J. VAN WILEN, 1995), e consiste em equacionar os
balanços de massa e energia para cada componente do sistema, levando em
considerações as propriedades dos fluidos refrigerantes e absorventes
17
(equação de estado) e as equações relacionadas às taxas de transferência de
calor e de massa (Figura 3.2).
Figura 3.2: Representação esquematizada do processo termodinâmico.
Fonte: DAVID P. DEWITT, 2003
O ciclo termodinâmico está definido no diagrama pressão-entalpia (P-h)
da Figura 3.3.
O sistema de refrigeração por absorção baseia-se no rebaixamento da
temperatura que acompanha a expansão de um fluido liquido de alta pressão
para baixa pressão.
Figura 3.3: Diagrama P-h de um ciclo de refrigeração.
18
No ponto 1 (gerador) representado no diagrama P-h, a solução águaamônia recebe calor proveniente do queimador e faz com que aumente a
pressão e temperatura interna do sistema e mude da fase liquida para vapor. A
quantidade de energia que a amônia é capaz de absorver está ligada
diretamente à temperatura do gerador, assim entende-se que o sistema
absorveu energia representada pela entalpia (grandeza física que descreve a
energia total de um sistema) da amônia. No ponto 2 (condensador) a pressão
se mantém constante em função da quantidade de calor adicionado ao
sistema. No ponto 3 (evaporador) a pressão diminui de tal forma a provocar
uma evaporação da amônia no sistema buscando absorver o calor para se
manter em equilíbrio. No ponto 4 (absorvedor) ainda em uma pressão menor
que a do gerador, a amônia se mistura com a água vinda do gerador,
condensando-se novamente neste processo.
A liquefação ocorre no condensador representado pelo trecho 2-3 do
diagrama P-h, isso porque nesta etapa o sistema rejeita calor através da
convecção térmica.
Para a modelagem do sistema de refrigeração apresentado na Figura
3.2, tornam-se relevantes algumas considerações, como:
•
Manter o funcionamento do sistema em regime permanente;
•
Manter um fluxo continuo no sistema;
•
Estabelecer uma temperatura constante no gerador;
•
O absorvente (água) não vaporiza no gerador, portanto entende-se
que somente o refrigerante puro (amônia) escoa pelo condensador e
evaporador;
•
Colocar isolamento térmico para que a perda de energia térmica seja
desprezível;
•
Desprezar a perda de carga na tubulação;
A seguir tem-se a modelagem matemática a partir de balanços de
energia, massa e entropia em cada componente do sistema de refrigeração por
absorção.
19
A) GERADOR
No gerador, certa quantidade de calor é transferida a uma mistura de
águaamônia, fazendo com que parte da amônia se evapore e, em fase vapor, seja
transferida ao condensador (processo 2-3, Fig. 3.3.). Parte da solução a alta
concentração de amônia é então retirada do gerador.
Para efeito de simplificação, considera-se que o vapor resultante na
ebulição da mistura no gerador seja composto apenas de amônia.
De acordo com Roy J. Dossat, 2004, o calor absorvido é usado em
duas aplicações: processo de mudança de fase (calor latente) e aquecimento
da fase liquida (calor sensível), conforme Figura 3.4.
VC
hs2;T2;P2;m2;x2
he1;T1;P1;m1;x1
GERADOR
.
(CALOR, qge)
Figura 3.4: Volume de controle no gerador.
Fonte: DAVID P. DEWITT, 2003
.
Para definir a quantidade de energia adicionada qge ao sistema será
utilizado um volume de controle no gerador, aplicando-se ao mesmo balanço
de massa e energia.
Balanço de massa:
.
.
m1 = m2
.
(3.1)
.
m1 * x1= m2 * x2
(3.2)
20
Balanço de energia:
.
.
.
m1 * he1 + qge = m2 * hs2
.
(3.3)
.
qge = m * (he2 - hs1)
(3.4)
B) CONDENSADOR
O condensador recebe vapor de amônia vinda do gerador e a partir de
um processo de retirada de calor através de dissipação por convecção fornece
amônia liquida para ao evaporador.
O desenho esquemático do condensador é apresentado na Figura 3.5.
VC
.
hs3;T3;P3;m3;x3
.
he2;T2;P2;m2;x2
CONDENSADOR
.
(CALOR, qco )
Figura 3.5: Volume de controle no condensador.
Fonte: DAVID P. DEWITT, 2003
Balanço de massa:
.
m2
.
.
=
m3
(3.5)
.
m2 * x2 = m3 * x3
(3.6)
21
Balanço de energia:
.
.
m2 * he2 = qco
.
.
+
m3 * hs3
(3.7)
.
qco = m * (he2 - hs3)
(3.8)
C) EVAPORADOR
Ao deixar o condensador, a amônia passa por uma tubulação em forma
de um sifão e encontra-se na região de saturação com baixo titulo de vapor.
Em contato com a parede do evaporador a mesma troca calor com o ambiente
(absorve calor). O fato ocorre porque a área do evaporador é maior que a área
do condensador e os demais componentes.
A área do evaporador sendo maior e a vazão de amônia sendo
constante provocam uma rápida expansão da amônia dentro do evaporador.
Somando a quantidade de hidrogênio contida no evaporador permite que a
amônia se evapore novamente, isto ocorrendo a uma baixa pressão e uma
baixa temperatura (Principio de Dalton). Durante a evaporação a amônia retira
calor do ambiente, ou seja, ao redor do evaporador, fenômeno descrito por Roy
J. Dossat, 2004 (Princípios de Refrigeração).
A representação esquemática do evaporador será apresentada na
Figura 3.6, acompanhando pelas equações do balanço de massa e energia.
VC
hs4;T4;P4;m4;x4
he3;T3;P3;m3;x3
EVAPORADOR
.
(CALOR, qev)
Figura 3.6: Representação esquemática do evaporador
Fonte: DAVID P. DEWITT, 2003
22
.
A parcela qev representa o ganho de calor do ambiente no evaporador e
é calculada como segue:
Balanço de massa:
.
.
m3 = m4
.
(3.9)
. .
.
m3 * x3 = m4 * x4
(3.10)
Balanço de energia:
.
.
.
m3 * he3 + qev = m4 * hs4
.
(3.11)
.
qev = m * (he4 - hs3)
(3.12)
D) ABSORVEDOR
Considerando-se o funcionamento do absorvedor dentro do ciclo,
assim que o mesmo recebe vapor à baixa pressão do evaporador, ocorre a
absorção em um liquido absorvente apropriado. Incorporado ao processo de
absorção há a conversão de vapor em liquido, processo similar ao que ocorre
no condensador, sendo assim o calor é rejeitado durante o processo. De
acordo com a notação apresentada na Figura 3.7, as equações para as leis de
conservação de massa e energia assumem a seguinte forma:
VC
hs1;T1;P1;m1;x1
he4;T4;P4;m1;x4
ABSORVEDOR
.
(CALOR, qab)
Figura 3.7: Representação esquemática do absorvedor
Fonte: DAVID P. DEWITT, 2003
23
.
A parcela qab representa a quantidade de calor o absorvedor rejeitou ao
ambiente e é calculada como:
Balanço de massa:
.
.
m4 = m1
.
(3.13)
.
m4 * x4 = m1 * x1
(3.14)
Balanço de energia:
.
.
.
m4 * he4 = qab + m1 * hs1
.
.
qab = m * (he1 - hs4)
(3.15)
(3.16)
3.3 SOLUÇÃO ÁGUA-AMÔNIA COMO FLUIDO REFRIGERANTE
A amônia é um fluido que tem uma capacidade de absorção de calor,
da ordem de 1,1 cal/gºC, sendo por esta razão comumente adotada como
fluido refrigerante em ciclos termodinâmicos por absorção de calor. A
combinação amônia-água obedece excepcionalmente bem a algumas das
exigências mais importantes à refrigeração. A água tem uma grande afinidade
com o vapor de amônia e os dois são mutuamente solúveis em grande gama
de condições de funcionamento (Roy J. Dossat, 2004), favorecendo a
transferência de calor.
No processo de absorção a quantidade de calor adicionado ao sistema
precisa estar de acordo com a capacidade volumétrica do protótipo. A maior
desvantagem da solução amônia-água é o fato do absorvente (água) ser
razoavelmente volátil e por isso, o vapor do refrigerante (amônia) que sai do
24
gerador contém, normalmente, quantidades apreciáveis de vapor de água o
qual, se passar através do condensador e entrar no evaporador, aumentará a
temperatura deste e reduzirá o efeito de refrigeração por arraste do refrigerante
não evaporado.
PROPRIEDADES
FÍSICO-QUÍMICAS
E
RISCOS
DA
SOLUÇÃO
REFRIGERANTE
Água destilada absorvente (H2O) nas CNTP:
•
Ponto de ebulição a 98,88 ºC
•
Calor específico: 1 cal/gºC
•
Densidade: 0,9998 g/cm³ [2].
Amônia, refrigerante (NH3):
Tabela 3.1: Característica da amônia. Fonte: OSHA/EUA; NR 15.
A amônia, com símbolo químico NH3, é constituída por um átomo de
nitrogênio e três de hidrogênio, apresentando-se como gás a temperatura e
pressão ambientes. Liquefaz-se sob pressão atmosférica a -33,35ºC. É
altamente higroscópico, e a reação com água forma o NH4OH3 - hidróxido de
amônia liquido na temperatura ambiente que possui as mesmas propriedades
25
químicas da soda cáustica. É estável quando armazenado e utilizado em
condições normais de estocagem e manuseio. Acima de 450ºC pode se
decompor liberando nitrogênio e hidrogênio.
É facilmente detectada pelo seu cheiro característico em proporções
tão pequenas como 5 ppm.
Apresenta risco moderado de incêndio e explosão quando exposto ao
calor ou chama. A presença de óleo e outros materiais combustíveis aumentam
o risco de incêndio.
Em contato com halogênios, boro, dicloroetano, óxido de etileno,
platina, triclorato de nitrogênio e fortes oxidantes, pode causar reações
potencialmente violentas ou explosivas. Em contato com metais pesados e
seus compostos pode formar produtos explosivos. O contato com cloro e seus
compostos pode resultar na liberação de gás cloroamina. Produz misturas
explosivas
quando
em
contato
com
hidrocarbonetos,
sendo
também
incompatível com aldeído acético, acroleina, dridrazina e ferrocianeto de
potássio.
Dentre suas aplicações, destacam-se seus usos como agente
refrigerante e na fabricação da uréia, importante fertilizante.
O gás é um poderoso irritante das vias respiratórias, olhos e pele.
Dependendo do tempo e do nível de exposição podem ocorrer efeitos que vão
de irritações leves a severas lesões corporais.
A inalação pode causar dificuldades respiratórias, bronco espasmo,
queimadura da mucosa nasal, faringe e laringe, dor no peito e edema
pulmonar. A ingestão causa náusea, vômito e inchação dos lábios, boca e
faringe. Em altas concentrações (10 ppm) pode haver necrose dos tecidos e
queimaduras profundas.
26
4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
4.1 DIMENSIONAMENTO INICIAL DO PROTÓTIPO
O dimensionamento do sistema de refrigeração por absorção que é
apresentado neste trabalho foi auxiliado por técnicos de uma empresa de
refrigeração.
O modelo utilizado para construção do protótipo experimental foi citado
por Roy J. Dossat em Princípios de Refrigeração conforme Figura 3.1. Este
modelo foi escolhido por já estar validado na literatura, o que facilitou a entrada
do protótipo em funcionamento.
4.2 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
Com base no modelo foi necessária a aquisição de materiais, os quais
foram utilizados ao longo do processo de construção do protótipo, conforme
Tabela 4.1.
Tabela 4.1: Lista de material utilizado para montagem do protótipo.
Item
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Descrição
Quantidade
Tubo de aço carbono SCH40,cap. 10kg/cm² (DIN
2,00
2440)
Tubo de aço carbono SCH40, cap.10kg/cm² (DIN
0,50
2440)
Tubo de aço carbono SCH40, cap.10kg/cm² (DIN
0,50
2440)
Válvula de esfera FF 125
3,00
União RM AC TBXR 5/16"x1/8" NPT
3,00
Mangueira incolor
1,00
Abraçadeira RSF 12x16
4,00
Abraçadeira RSF 19x27
8,00
Bico Mangueira Macho SBU 5/16"x1/8" NPT
5,00
Cotovelo MF LT Curvo 90º 1/8" NPT
2,00
Veda rosca Teflon 125mmx5m
1,00
Niple Duplo LT 1/8"NPT
2,00
Luva LT 1/8"NPT
1,00
"Te" Femea LT 1/8" NPT
1,00
Bujão Cabeça quadrada LT 1/8" NPT
3,00
União RM AC TBXR 1/4"x1/8" NPT
3,00
Isolamento Térmico 22x3/4"
1,00
Válvula para gás 1/8" NPT
6,00
Bico para fogão 1/8" NPT
2,00
unidade
Diâm.
[m]
1/2"
[m]
5/16"
[m]
1/4"
[pç]
[pç]
[m]
[pç]
[pç]
[pç]
[pç]
[pç]
[pç]
[pç]
[pç]
[pç]
[pç]
[m]
[pç]
[pç]
*
*
1/8"
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
3/4"
*
*
27
Após a aquisição de todos os itens listados na relação de materiais
iniciou-se o processo de ajuste das tubulações, isto é, foi necessário aquecer
os tubos com auxilio de um maçarico a gás e, com ferramentas especiais, os
tubos foram curvados até atingir o grau necessário. Em seguida os tubos foram
soldados com varetas de liga prata-cobre, método este escolhido para garantir
a segurança do protótipo e por se ligar mais facilmente com outros metais.
Terminada o processo de soldagem foram instaladas as válvulas e
monômetros para visualização da pressão interna.
4.3 TESTES REALIZADOS
TESTE DE PRESSÃO
Para avaliar a segurança do protótipo em relação a possíveis
vazamentos, o mesmo foi submetido a um teste de pressão. Inicialmente o
sistema foi pressurizado a 6 kgf/cm², indicado no manômetro do compressor
(Figura 4.1). O sistema foi mantido pressurizado durante 4 horas. Logo no
primeiro teste a pressão no manômetro diminuiu sensivelmente, indicando
vazamento. Decidiu-se então colocá-lo em um tanque com água para identificar
a região dos vazamentos e com isso refazer as soldas. No segundo teste de
pressão o sistema se manteve estável durante um período de seis horas,
atingindo a estanqueidade desejada.
Figura 4.1: Manômetro de pressão do compressor.
28
Verificado que o protótipo oferecia segurança decidiu-se então colocar
a solução amônia-água dentro do sistema de refrigeração.
Como já citado no Capitulo 3 (três), a amônia é nociva a saúde se não
for manuseada corretamente, necessitando de instruções específicas para
operar o protótipo.
O protótipo “não deve ser manuseado” sem que se tenha
conhecimento das reações provocadas pela amônia utilizada como refrigerante
(norma ANSI/ASHRAE 15-1978) e estar devidamente protegido em caso de
vazamento. Para manusear o protótipo deve-se colocar luvas de PVC nas
mãos e máscara para evitar inalações diretas da amônia. Adotar as seguintes
orientações:
•
Não incidir fogo diretamente em áreas onde a solução não esteja presente;
•
Não soltar as válvulas sem que haja necessidade e sem conhecimento do
procedimento;
•
Não derrubar e ou aplicar qualquer força desnecessária que possa provocar
uma trinca nas partes soldadas;
•
Só se devem efetuar soldas por um técnico que tenha conhecimento de
sistemas de refrigeração por absorção;
PROCEDIMENTOS PARA FUNCIONAMENTO DO PROTOTIPO
Para manusear o protótipo, deve-se colocá-lo em uma superfície plana
e verificar se está apoiado sobre a mesma, seguindo os passos descritos
abaixo:
•
Instalar a mangueira no botijão de gás de 2 kg do tipo pequeno para
“camping”;
•
Ascender o bico inferior e regular para se obter uma chama pequena;
•
Regular a chama lentamente até ouvir um barulho característico de “água
borbulhando”, Isto ocorre por que a amônia será a primeira a ferver em
função do ponto de ebulição de 32ºC;
29
A chama não deve ser muito intensa, senão o calor fará com que a
água também comece a evaporar e transmitirá calor para o condensador que
por sua vez não foi dimensionado para temperaturas elevadas e, se o calor não
se dissipar no condensador e chegar ao evaporador, o mesmo será aquecido e
o processo de refrigeração será comprometido.
A seguir tem-se o histórico dos testes realizados no protótipo com o
objetivo de deixá-lo operacional.
TESTE 1
Foi preparada uma solução de 180 ml, composta por 70% de água
destilada e 30% de amônia. A solução foi colocada no sistema com auxilio de
uma seringa e o sistema não foi pressurizado. Em seguida adicionou-se calor
através do queimador de gás butano (maçarico).
Após alguns minutos o sistema começou a fazer um barulho
característico de água borbulhando, dando inicio ao processo de circulação da
solução dentro dos tubos. Contudo o sistema não apresentou nenhum
resfriamento significativo no evaporador após um período de pelos menos três
horas, no qual se realizou vários ajustes na adição de calor.
Na tentativa de obter-se uma melhora no desempenho, decidiu-se
mudar a configuração primária do protótipo.
Na nova configuração, o condensador foi elevado a uma altura de 150
mm em relação ao evaporador, conforme Figura 4.2, para que o calor rejeitado
no condensador não atingisse o evaporador rapidamente.
Nesta nova configuração foram adicionados três manômetros de
pressão com escala de 0 a 11 kgf/cm² para visualizar as pressões do próprio
sistema. A troca de manômetros foi necessária porque os primeiros
apresentaram vazamentos. Também foram adicionadas válvulas de esfera para
colocar e drenar a solução quando necessário.
30
O evaporador foi substituído por tubo de cobre, visto que este possui
maior condutividade térmica que o aço carbono SAE1020.
Figura 4.2 Altura do condensador em relação ao evaporador.
Fonte: Imagem do protótipo montado.
TESTE 2
Com a mudança da configuração e mantendo a mesma quantidade de
solução, foi realizado o segundo teste.
Observou-se uma pequena melhora em relação ao deslocamento da
solução, mas ainda não se chegou ao objetivo, que era atingir um diferencial de
temperatura entre o ambiente e o evaporador.
Adicionou-se
então
gás
de
hidrogênio
ao
sistema
conforme
recomendado na literatura de Roy J. Dossat,2004.
31
O hidrogênio foi obtido a partir de um aparato montado para se obter o
gás através de “eletrólise”.
Para se obter o hidrogênio foi montado um anteparo de plástico com
uma solução de 5 litros de água e 50 ml (aproximadamente 1%) de acido
sulfúrico (Jons Jacob Berzelius, 1808) para facilitar o deslocamento de
elétrons. Duas placas de 5 cm x 10 cm, sendo uma de cobre (anodo) e outra de
alumínio (catodo), foram ligadas a um transformador de corrente continua. O
processo ocorreu de forma lenta e a separação dos gases foi feita com auxilio
de uma seringa pode transferir o hidrogênio para o protótipo.
TESTE 3
Neste teste foi adicionado hidrogênio na forma de gás com auxilio de
uma seringa até que o manômetro indicasse uma pressão de 0,3 kgf/cm².
Neste teste o sistema apresentou uma pequena queda de temperatura
no evaporador em relação à temperatura ambiente, mas ainda não estava
próximo do objetivo desejado.
Após duas horas sem êxito, o sistema foi drenado e foi aumentada a
concentração da solução em uma proporção de 60% de água destilada e 40%
de amônia. A quantidade de hidrogênio também foi aumentada até se atingir
uma pressão no sistema de 1,0 kgf/cm².
O resultado não foi o esperado, isto é, a temperatura se manteve
estável no evaporador, sem decréscimo sensível.
TESTE 4
Neste teste a solução utilizada foi de 300 ml, sendo distribuída da
seguinte forma: 120 ml (40%) de água destilada e 180 ml (60%) de amônia. Foi
utilizada uma bomba de vácuo para remover totalmente ou parcialmente o ar
que estava dentro da tubulação do protótipo.
32
A bomba estava conectada ao protótipo através de uma mangueira de
plástico, e após ligar a bomba foi verificada no manômetro localizado no coletor
uma pressão negativa de 1,5 kgf/cm². O próximo passo foi adicionar o gás de
hidrogênio até atingir uma pressão de 1,5 kg/cm² positiva e iniciar o processo
de aquecimento.
Iniciou-se então o processo de aquecimento e a temperatura foi
aumentando no tubo de aquecimento lentamente a uma escala de 5 ºC
permanecendo por um período de 30 minutos a cada alteração na escala.
Após um período de duas horas pode-se perceber uma pequena
variação de temperatura no evaporador e após quatro horas de funcionamento
a temperatura no evaporador atingiu um valor de 22 ºC, sendo a temperatura
ambiente de 28 ºC, indicada no multímetro (Minipa modelo ET 2040) utilizado
para a coleta de dados. Também foram utilizados termopares modelo MTK 01.
Neste teste atingiu-se o melhor desempenho, com um diferencial de
temperatura de 6 °C entre o evaporador e o ambiente.
4.4 CONFIGURAÇÕES DO PROTOTIPO
A ilustração (Figura 4.3) mostra a nova configuração do protótipo após
as mudanças feitas no decorrer dos testes.
(a) Montagem final do protótipo.
(b) Primeira montagem do protótipo.
Figura 4.3: Fase final da montagem do protótipo.
33
A Figura 4.3-a apresenta o protótipo na fase final de montagem e testes,
já a figura 4.3-b apresenta o protótipo na fase inicial da montagem.
5. RESULTADOS
5.1. DESEMPENHO DO PROTOTIPO
Os resultados obtidos ao longo dos testes com a configuração
otimizada do protótipo são apresentados na Tabela 5.1.
Os valores anteriores não foram apresentados em função de estarem
longe do objetivo, portanto foram registrados apenas para correções
posteriores.
Tabela 5.1: Resultados obtidos para o protótipo otimizado.
Temp
o
Tubo de
aquecimento
Entrada do
condensador
P
P
t
T
T
[kg/cm²
[kg/cm²
[min]
[ºC]
[ºC]
]
]
0
1,50
28
1,50
28
30
1,60
35
1,70
35
60
1,70
39
1,70
39
90
1,80
44
1,80
44
120
1,90
53
1,90
53
150
2,00
62
2,00
62
180
2,10
66
2,10
66
210
2,10
74
2,10
74
240
2,10
80
2,10
80
270
2,30
88
2,30
88
300
2,30
93
2,30
93
330
2,30
93
2,30
93
Eficiência
do
condensad
or
Razão
[%]
0,00
20,00
28,20
34,09
45,28
48,38
51,51
55,40
57,50
47,72
40,86
34,40
Saida do
condensador
Evaporador
Tanque
absorvedor
P
P
P
T
T
T
[kg/cm²
[kg/cm²
[kg/cm²
[ºC]
[ºC]
[ºC]
]
]
]
1,50
28
1,50
28
1,50
28
1,70
28
1,70
28
1,70
28
1,70
28
1,70
28
1,70
29
1,80
29
1,70
28
1,70
30
1,90
29
1,70
28
1,90
31
2,00
32
1,80
27
1,90
32
2,10
32
1,90
26
1,90
33
2,10
33
1,90
24
2,00
33
2,10
34
1,90
22
2,00
34
2,30
46
2,00
29
2,00
39
2,30
55
2,10
35
2,10
43
2,30
61
2,20
39
2,20
46
Fonte: Dados do obtidos no teste do protótipo.
Na montagem da planilha que compõe a tabela 5.1 foi estabelecido o
seguinte critério para obtenção de dados.
34
Os resultados eram coletados em intervalos de 30 minutos sendo eles
anotados em seus respectivos pontos representados na planilha e a cada
anotação elevava-se a temperatura no tubo de aquecimento, e assim
sucessivamente.
No tempo igual a zero foram fixados os valores iniciais de pressão e
temperatura em todos os componentes para serem utilizados posteriormente
como referência e elaboração de gráficos a seguir.
Através dos valores da tabela 5.1, foi possível fazer o Gráfico 5.1 com
uma curva (azul) descrevendo o comportamento da temperatura do evaporador
em função da temperatura de entrada no tubo de aquecimento (gerador).
Temperatura no evaporador x aquecimento.
38
36
34
32
[ºC]
Temperatura no evaporador
40
30
28
26
24
22
20
28
33
38
43
48
53
58
63
68
73
78
83
88
93
Temperatura de aquecimento [ºC]
Temperatura no evaporador
Temperatura ambiente
Gráfico 5.1: Gráfico de temperatura no evaporador x temperatura no gerador.
Fonte: Dados da tabela 5.1
Na visualização ficou clara que a temperatura de trabalho (no gerador)
do protótipo precisa permanecer constante e inferior a 78ºC. Acima desta
temperatura o vapor de água em meio à solução avança para o condensador
que por sua vez não foi dimensionado para receber e dissipar toda energia
disponível no sistema. Como percebido em temperaturas superiores, a curva
tem uma projeção de crescimento prejudicando o objetivo da construção do
protótipo.
35
O Gráfico 5.2 descreve o comportamento da temperatura em função do
tempo. Para o protótipo, por ser experimental e relativamente pequeno,
qualquer alteração na temperatura do tubo de aquecimento impõe a
necessidade de se aguardar um determinado tempo para que a temperatura
esteja uniformemente distribuída na solução e uma descarga constante seja
mantida no sistema.
Após um período de duas horas já foi possível perceber uma queda de
temperatura no evaporador em relação ao ambiente e ao longo do processo
com o aumento da temperatura de entrada no tubo de aquecimento houve uma
queda ainda maior, lembrando que a temperatura ideal de trabalho é de 75ºC.
Temp. no evaporador [ºC]
Te mp. no e v aporador x te mpo de aque cime nto
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Te mpo de aque cime nto [Horas]
Temperatura no evaporador
Temperatura ambiente
Gráfico 5.2: Gráfico de temperatura no evaporador x tempo.
Fonte: Dados da tabela 5.1.
Para se alcançar uma queda de temperatura de 6ºC em relação ao
ambiente foi necessário aguardar quase quatro horas de operação.
6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
O protótipo inicial não apresentou o resfriamento esperado no
evaporador e, em função disto, foram necessárias sucessivas alterações no
mesmo até a obtenção de uma queda sensível de temperatura no evaporador.
36
As alterações foram fundamentais ao longo do processo para se chegar
ao objetivo principal, que era de demonstrar um ciclo frigorífico por absorção de
calor.
Os resultados apontaram para uma temperatura constante de trabalho
no gerador de 75ºC. Com esse valor de temperatura de entrada no gerador
obteve-se uma queda de temperatura no evaporador de 6ºC em relação ao
ambiente (28ºC).
Neste caso especifico o resultado obtido foi proporcional ao tamanho do
protótipo e da quantidade de solução existente no absorvedor.
Para fins de simulação entende-se que os resultados alcançados com o
uso protótipo foram satisfatórios dando ênfase ao trabalho.
Para trabalhos futuros recomenda-se que sejam feitas alguma melhorias
no protótipo, tais como:
•
A otimização da concentração da solução e da pressão no sistema objetivandose uma maior capacidade frigorífica no protótipo;
•
O cálculo do coeficiente de desempenho do sistema;
•
O cálculo da capacidade frigorífica do sistema;
•
Adequação de um termostato para manter a temperatura constante no gerador;
•
Utilização de um software para auxiliar na coleta de dados buscando resultados
mais precisos;
•
Utilização de novos pares refrigerantes;
•
Aumentar a área do condensador para melhorar sua taxa de transferência de
calor ao ambiente de forma que será possível elevar a temperatura no gerador
sem prejudicar o evaporador (aumento de temperatura), o que possibilitará um
aumento de descarga de refrigerante resultando em um aumento da
capacidade frigorífica do sistema.
37
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
1.
STOECKER, W.F., Refrigeração Industrial, Editora Edgard Blucher Ltda,
2002.
2.
DOSSAT, ROY J. , Princípios de Refrigeração, Editora Hemus, 2004,
Tradução: Eng. Raul Peragallo Torreira.
3.
WILEN, GORDON J. VAN, Fundamentos da Termodinámica Clásica,
Editora Edgard Blucher ,1995.
4.
DEWITT, DAVID P., Fundamentos de Calor e Massa, Editora LTC, 5º
Edição, 2003.
5.
TORREIRA, Eng. RAUL PERAGALLO, Refrigeração e Ar Condicionado,
Fulton Editora Técnica LTda, 1979.
6.
CORTEZ, L. A., Histórico e Considerações Sobre a Refrigeração Por
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