Seminário: DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE REFRIGERADORES DE ABSORÇÃO E TROCADORES DE CALOR...

Seminário:

DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE REFRIGERADORES DE ABSORÇÃO E

TROCADORES DE CALOR PARA GASES DE EXAUSTÃO – DORAGEX

Projeto CNPq 520120/2005-1

Emerson Dilay, Msc.

Orientador: Prof. José Viriato Coelho Vargas, PhD

2010

Apresentação

Objetivo;Introdução;Materiais e Métodos;Resultados;Discussão;Agradecimentos;Referências;

Objetivo

Construção de um protótipo elementar de máquina de refrigeração por absorção utilizando o par NH3-H2O;

A fonte de energia para funcionamento da máquina pode ser um combustível ou uma outra fonte de calor residual qualquer;

Capacidade de 1 TR; Caracterização o ciclo de funcionamento;

Inovações

Característica Máquinas Comerciais

Protótipo

Capacidade 3-25 TR (10-90kW) sendo que alguns fabricantes (York) fabricam apenas

maiores de 100TR

1 TR (3,5 kW)

Alimentação Combustível ou calor residual

Combustível ou Calor Residual podendo ser

simultâneos

Origem Importado Totalmente nacional

IntroduçãoCiclo de Refrigeração por Absorção;Início do Século XX;Funcionamento com carvão, lenha ou gás;Desenvolvimento de máquinas elétricas;Desempenho COP Absorção x COP

Compressão;Interesse recente;

Introdução

Figura 1 – Ciclo de refrigeração representado no diagrama Pressão x Entalpia

Introdução

Absorvente Refrigerante

Água Amônia

Brometo de Lítio Água

Cloreto de Lítio Metanol

Ácido Sulfúrico Água

Fonte: Pohlman (1979); Sresnewsky (1983); Abreu(1999)

Introdução

Figura 2 – Representação esquemática do ciclo básico

Introdução

Figura 3 – Detalhe de funcionamento do Absorvedor

OHNHOHNH 423

Calor

Introdução

Figura 5 – Conjunto gerador e retificador

OHNHOHNH 234

Calor

Introdução

Figura 4 – Diagrama concentração x temperatura

Introdução

Figura 6 – Diagrama Pressão x Temperatura x Concentração para água/amônia – Em vermelho o ciclo absorção/desabsorção

Materiais e Métodos

Figura 7- (a) bomba de captação de água de resfriamento de condensador, absorvedor e retificador de uma cisterna de 50m3; (b) sistema de água com 25% de etileno-glicol para carga térmica de evaporador

Materiais e Métodos

Figura 8 – Esquema do máquina de refrigeração construída no LMH/UFPR

Materiais e MétodosEES - Engineering Equation Solver;Dimensionamento Simplificado;Avaliação dos fluxos de energia e massa;Pressão de Baixa = 4 bar -2C;Pressão de Alta = 16 bar 41 C;Fluxo de Amônia ~0,01 kg/s;Fluxo de Solução na Bomba ~ 0,1 - 0,2 kg/sEnergia alimentando o Gerador ~ 37 kW COP=(Calor Transferido)/(Energia Utilizada)

Materiais e Métodos

Figura 9 (a) – Influência da temperatura do gerador no coeficiente de performance (COP)

Materiais e Métodos

Figura 9 (b) - Influência da temperatura do gerador na potência térmica absorvida no gerador

Materiais e Métodos

Figura 10 – (a) Influência da temperatura do gerador na vazão mássica da bomba

Materiais e Métodos

Figura 10 – (b) Influência da temperatura do gerador na potência da bomba

Materiais e MétodosDimensionamento do Gerador / RetificadorVazões / Trocas Térmicas / Pressões / Temperaturas

sosoaoaosisig hmhmhmQ

mTUAQ

Figura 11 – Vista do Gerador / Retificador

Materiais e Métodos

  h (j/g)m

(kg/sec) P (kPa) Quality T (C ) x (kg/kg)

evap in -52,2 0,141 261,2 0,011 -12,3 0,99

evap out 1142 0,141 261,2 0,915 -10 0,99

cond in 1410 0,141 1540 1 76,5 0,99

cond out 184,1 0,141 1540 0 40 0,99

pump in -46,1 1 261,2 0 40 0,381

pump out -43,1 1 1540 n/a 40,4 0,381

ret h2o in -43,1 1 1540 n/a 40,4 0,381

Exemplo de cálculo dos estados dos fluídos

Materiais e Métodos

Figura 12 – Trocador de calor regenerador para aproveitamento de gases quentes

Materiais e Métodos

Figura 13 – Exemplo de tabela de seleção de trocadores de calor da empresa Apema

mTUAQ

Materiais e MétodosÁreas dos Trocadores de Calor

Equipamento Área Calculada/Estimada

Gerador - Aletas 30 Aletas 300mm Diâmetro

Condensador 1,5 m2

Evaporador 3,0 m2

Absorvedor 1,4 m2

Retificador 0,3 m2

Regenerador 1,5 m2

Materiais e Métodos

Figura 14- Vista do projeto do absorvedor

Dimensionamento do Gerador / Retificador

Vazões / Trocas Térmicas / Pressões / Temperaturas

sosoaiaiwiwia hmhmhmQ

mTUAQ

Materiais e Métodos

Figura 15 (a) – Bomba de solução NH3 – H2O com pressão de 20 bar

Figura 15 (b) – Conversor de Frequencia da Bomba para ajuste de vazão

Materiais e Métodos

Materiais e Métodos

Figura 16 – (a) Válvula de expansão de NH3 com gelo durante o funcionamento e (b) válvula redutora de pressão de solução NH3-H2O

Materiais e MétodosCálculo do Volume de Solução e do Tanque de Acumulação

Materiais e Métodos

Dimensionamento dos vasos de pressão;Tubulações Schedule 40 e 80;Soldagem MIG;Teste de Pressão 1,5 x Pressão de Trabalho

(N2)

Resultados

Figura 17 – Vista do primeiro protótipo funcional construído

Resultados

Figura 18 – Saída de vapor de NH3 do evaporador

Resultados

Figura 19 – Bomba de circulação e tubulações de fluido resfriado

Discussão

Figura 20 – Tela do aplicativo LabView que caracteriza o sistema de absorção

Discussão

Capacidade Obtida

8,165 kW = 2,322 TR

saída,águaentrada,águaáguaáguaevaporador TTcmQ

Discussão

Maiores Desafios

Manter o fluxo de solução constante;Manter o nível de solução no gerador estável;Evitar inundação do absorvedor durante o start-up;Problemas de estanqueidade;Problemas com soldagem de peças de materiais diferentes;Obter bomba com baixa vazão e alta pressão;

Agradecimentos

À Nilko Metalúrgica Ltda pelo apoio técnico e financeiro;

À Finep/CNPq pelo apoio financeiro;Ao Professor Dr. José Viriato Coelho Vargas,

coordenador deste projeto;Ao Engenheiro Ericson Dilay, Msc. pelo apoio na

construção do protótipo;

Referências ABREU, A. F., Sistema de refrigeração por absorção intermitente: concepção, dimensionamento,

construção, ensaio e considerações econômicas, Tese de Doutorado apresentada ao Programa Interunidades de Pós-graduação em Energia - PIPGE/USP, São Paulo, SP, 1999.

  BEJAN, A., Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York, 1994.

  HEROLD, K. E., RADERMACHER, R., KLEIN, S. A., Absorption Chillers and Heat Pumps, 1ª Edição,

Boca Raton, CRC Press, Inc, 1996.

  DORGAN, C. B., LEIGHT, S. P., DORGAN, C. E., Application Guide for Absorption

Cooling/Refrigeration Using Recovered Heat, American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers (ASHRAE), 1995.

HOLMAN, J. P., Transferência de Calor, McGraw-Hill, São Paulo, 1987.

  LabVIEW 8.5, User Manual, National IntrumentsTM, LabVIEW Help, August, 370234G-01, 2007.

POHLMAN, W., Manual de técnica frigorífica, Ed. Omega, Barcelona, 1979.

  SRESNEWSKY, S. F. G. B., Estudo de ciclos de refrigeração por absorção quanto a sua aplicação e

fonte energética, Escola Politécnica/USP, São Paulo, SP, 1983.