ANÁLISE DE UM SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO POR ADSORÇÃO TENDO COMO FONTE DE ENERGIA A RADIAÇÃO SOLAR_CONNEPI.doc

VI Congresso de Pesquisa e Inovação da Rede Norte e Nordeste de Educação Tecnológica Natal-RN -2011

ANÁLISE DE UM SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO POR ADSORÇÃO TENDO COMO FONTE DE ENERGIA A RADIAÇÃO SOLAR

Carlos Erlan Olival Lima1 – Aurélio Agostinho Adão2 – Francisco Marcelino3

1Instituto Federal do Piauí - Campus Teresina Central e 2Instituto Federal do Piauí – Campus Teresina [email protected] – aaadã[email protected]

RESUMO

Este trabalho tem por objetivo a análise de um sistema de climatização por adsorção, sendo que o par adsortivo será zeólita – água, e a fonte de energia utilizada para aquecer o adsorvente, que neste caso é a zeólita será a radiação solar. Este sistema será utilizado para fornecer ar condicionado para o laboratório de pesquisa em Engenharia Elétrica do IFPI. A potência do sistema será de 9638 W, e o período de cada ciclo será de 1 h 57 min. Este sistema terá um coeficiente operacional de 0,38 quando estiver operando em condições extremas, mas mesmo assim será garantido ao ambiente uma temperatura de 25 °C com uma umidade de 55%. Quanto ao desempenho da adsorção, este foi caracterizado para as pressões de saturação do adsorvente na temperatura de 10, 20 e 30 °C, sendo que a máxima capacidade de adsorção foi obtida quando a temperatura de evaporação for de 10 °C e a de saturação também for de 10 °C, sendo que para estes valores, quando a temperatura de regeneração do adsorvente for de 300 °C, se terá uma capacidade de estocagem de energia de 633,472 kJ por kg da zeólita. A parte mais importante do projeto é o dimensionamento do adsorvedor, o qual envolve doze variáveis, dentre elas temos: a duração do ciclo, as temperaturas das fontes, a espessura de material adsorvente, características dos tubos e aletas, o par adsortivo e o metal utilizado na construção do trocador de calor. A obtenção de todos os valores concernentes a este projeto foram obtidos por meio de análises matemáticas nos softwares MATHLAB e EES (Engineering Equation Solver).

Palavras – chave: adsorção, zeólita, energia solar.


1. INTRODUÇÃO

Um sistema de refrigeração é uma máquina de transferência de calor, que capta o calor interno dos ambientes e o põe para fora. Isto se consegue por meio da constante evaporação e condensação de um fluído refrigerante. Para que se processe a evaporação, a troca do estado líquido para o gasoso é preciso calor, que é absorvido de uma fonte térmica. A troca oposta, a condensação, expulsa o calor, que é liberado do fluído refrigerante para o exterior (LAUAND, 2000).

A refrigeração por adsorção utiliza um ciclo térmico que se vale da capacidade de alguns sólidos adsorverem (fixarem moléculas de outras substâncias em sua superfície) vapores de um dado refrigerante em determinadas condições de temperatura e pressão. Nos sistemas de refrigeração por adsorção, este sólido é denominado adsorvente. O fluído refrigerante que deverá trabalhar alternadamente nos estados de vapor e líquido é denominado adsorvato ou simplesmente refrigerante.

O sistema apresentado utiliza o princípio de estocagem de energia, sendo que há dois tipos principais de sistemas de resfriamento, o primeiro estoca calor sensível, neste caso a temperatura do material responsável por armazenar a energia irá variar com a quantidade de energia armazenada. O outro tipo armazena calor latente, portanto ele faz uso da energia armazenada quando a substância muda de uma fase para outra. Os dois sistemas mencionados operam a baixas temperaturas, sendo que as temperaturas de armazenamento de energia do tanque são menores que a temperatura ambiente, isso acaba acarretando perda de energia durante o processo de estocagem, fazendo com que estes sistemas tenham bastante desvantagem quando se deseja armazenar energia por um longo período (LU, Y. Z. et al, 2003).

O princípio de trabalho da adsorção envolve processos de reversão físico-química, onde há o armazenamento de energia via adsorção. Neste caso a capacidade de resfriamento pode ser armazenada por grandes períodos sem nenhuma perda de energia e sem nenhuma poluição. Este processo pode ser utilizado por sistemas de resfriamento que necessitem de uma elevada potência, sendo que a fonte geradora de energia pode ser um motor de exaustão ou um coletor solar (LU, Y. Z. et al, 2003).

Neste trabalho será apresentado o dimensionamento do protótipo baseado no princípio da reversão físico-química. Este sistema irá utilizar o par zeólita - água, sendo a zeólita o adsorvente e a água o adsorvato. O sistema tem como objetivo a climatização de ambientes utilizando uma energia completamente renovável e não poluente, a qual será obtida através da irradiação solar, a qual será absorvida pelo coletor solar e será utilizada para fornecer calor ao reator para que se consiga a dessorção (liberação das moléculas) do adsorvato a partir do aumento da temperatura do adsorvente.

2.OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho consiste em definir os parâmetros experimentais de uma unidade de sistema de climatização por adsorção utilizando como fonte de energia a irradiação solar, implementando uma técnica alternativa de climatização de ambientes com energia completamente renovável e não poluente.

3. REVISÃO DA LITERATURA

3.1 Análise Termodinâmica Básica do Armazenamento de Energia por Adsorção

A capacidade de armazenamento de energia deste sistema deve ser indicada pela diferença entre a capacidade de adsorção durante o armazenamento do frio e o período de descarga. O equilíbrio da capacidade de adsorção (a massa de refrigerante adsorvida por unidade de massa de adsorvente) normalmente pode ser expresso pela equação de Dubinin – Astakhov, que é demonstrada abaixo:

[Eq. 01]


Onde T é a temperatura do adsorvente, Ts é a temperatura de saturação correspondente a pressão da câmara p, xo é a capacidade de adsorção máxima e K e n são constantes características da adsorção, que tem alguma relação com o material adsorvente.

O princípio geral de um ciclo de armazenamento de energia por adsorção é mostrado no diagrama de Clapeyron mostrado na figura 1. O processo de operação do sistema consiste principalmente de três períodos: geração (A-B-C), armazenamento do frio (C-E) e descarga do frio (E-A). Um ciclo de refrigeração normal também é mostrado no sistema (A-B-C-D-A).

Durante o período de geração, a câmara adsorvente é aquecida com uma rica capacidade de adsorção, x2, até que a pressão nela seja igual à pressão de condensação, pcond. Conseqüentemente, o vapor refrigerante é retirado do reator e condensado no condensador. Depois do período de geração a câmara é resfriada por uma baixa capacidade de adsorção, x3, e a temperatura da câmara de adsorção diminui da temperatura de geração, Tg para a temperatura ambiente, To, durante o período de armazenamento do frio. O processo de evaporação se inicia quando há necessidade de descarregar o frio. O refrigerante irá entrar na câmara do adsorvente com a pressão de vapor saturado igual à pressão de evaporação. Então, a temperatura da câmara deve aumentar devido ao calor latente de adsorção, até que seja alcançada a temperatura de adsorção, Ta.

Figura 1 - Diagrama de Clapeyron, Lu, Y.Z. et al. (2003)

Segundo Lu, Y.Z. et al. (2003), a capacidade ideal de armazenamento de energia de um sistema de armazenamento do frio por adsorção pode ser definido como o potencial máximo da capacidade de adsorção provocada pela evaporação do refrigerante, o que é fornecido pela equação abaixo:

[Eq. 02]

Onde qarm é a capacidade de armazenamento de energia por unidade de massa do adsorvente, hfg é o calor latente de evaporação do refrigerante, e x1 é a capacidade de adsorção no fim da descarga do frio, quando Ta=To.

A temperatura da câmara no fim do período de descarga do frio é normalmente maior que a temperatura ambiente, pois a capacidade teórica da refrigeração de saída, qsaida, é menor que qarm.

[Eq. 03]

Então a razão da descarga de saída é descrita da seguinte forma:


[Eq. 04]

4. MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 Descrição do Funcionamento do Aparelho

A esquematização do projeto é mostrada na figura 2, sendo que todas as análises dos parâmetros experimentais foram feitas a partir de ferramentas matemáticas, através dos softwares MATHLAB e EES (Engineering Equation Solver). A partir da figura 2 podemos constatar que o processo inicia-se com a descarga de energia, o que ocorre quando a válvula V1 entre o adsorvedor e o evaporador é aberta, o que acontece apenas quando a temperatura da câmara é bastante baixa. Por causa da adsorção do vapor de água pela zeólita, a temperatura da câmara aumenta rapidamente, e a temperatura do evaporador diminui. Conseqüentemente, a bomba que circula a água resfriada entre o evaporador e o fan - coil é ativada quando a temperatura do evaporador chegar a um determinado valor. Primeiramente, a água fria é enviada a serpentina de desumidificação, onde troca calor com o ar externo, depois é enviado ao fan, onde ele troca calor com o ar interno, assim consegue-se o resfriamento da sala. Durante o período de geração, a câmara adsorvente é aquecida pelo calor absorvido pelo coletor através da radiação solar. Durante o período de geração a válvula V2 que liga a câmara adsorvente ao condensador é mantida fechada até que seja alcançada a pressão de condensação, então a válvula é aberta e o vapor refrigerante é dessorvido e condensado no condensador. No instante em que a válvula V2 é aberta, a válvula V1 é fechada e então abre-se a válvula V3 permitindo assim que o processo de resfriamento continue ocorrendo, esta válvula continua aberta até que a pressão no coletor se iguale a pressão de condensação, quando isto ocorre, a válvula V4 é aberta e a válvula V3 é fechada, ao mesmo tempo a válvula V1 é aberta para que ocorra o deslocamento de vapor para o primeiro coletor, o qual terá o material adsorvente regenerado e o vapor adsorvido liquefeito e de volta as condições iniciais após passar pelo condensador e a válvula de expansão V5, tudo isso ao mesmo tempo em que ocorre a descarga de energia do outro coletor. O período de armazenamento do frio inicia-se a noite, então a temperatura do adsorvente é diminuída devido à dissipação natural de calor para o ambiente. As válvulas V1 a V5 são válvulas esferas manuais acionadas por servos motores, os quais atuarão de acordo com as leituras feitas pelos sensores de vazão e de pressão.

A potência de refrigeração de saída é calculada pela diferença de temperatura entre a parte interna e externa do fan coil multiplicada pela taxa de fluxo:

[Eq. 05]

Onde mchi representa o fluxo de massa, cp,chi é o calor específico a pressão constante, Ts,chi é a temperatura de saída da água que passa pela tubulação entre o evaporador e o fan coil e T e,chi é a temperatura de entrada do fluido. Quanto a potência de saída, que é representada por P saída é determinada pela carga térmica do ambiente a ser climatizado.

Então, a capacidade total de refrigeração de saída é dada por:

[Eq. 06]

Onde dt representa a variação de tempo em segundos.

Similarmente, a energia térmica de entrada é calculada como:

[Eq. 07]


Onde It representa a quantidade de radiação solar recebida pelo coletor – adsorvedor num determinado intervalo de tempo.


Figura 2 – Esquema Básico do Projeto

Sensor de Temperatura Sensor de Vazão Sensor de Pressão

Eletroválvula Bomba Rotatória de Vácuo

T Q P


Após a determinação da carga térmica do ambiente e da quantidade de radiação solar absorvida pelo coletor – adsorvedor, procede – se a determinação da massa de adsorvente necessária para que o ciclo se realize, o que é determinado a partir da equação de Dubini – Asthakov que segundo LU, Y.Z. et al. (2003) é expressa da seguinte forma:

[Eq. 08]

onde:

T: Temperatura do adsorvente (K);

Ts: Temperatura de saturação (K);

Para determinar o coeficiente operacional do sistema de resfriamento por adsorção utilizou-se o princípio de uma máquina quadritérmica hipotética, onde esta máquina operaria em dois níveis de temperatura sem conversão em energia mecânica. De acordo com LEITE (2000) o COP de Carnot para uma máquina quadritérmica é dado por:

[Eq. 09]

onde:

Tcon: Temperatura de condensação (°C);

To: Temperatura ambiente (°C);

Tev: Temperatura de evaporação (°C);

5. RESULTADOS DA PESQUISA E DISCUSSÃO

5.1 Capacidade de Estocagem de Energia

O comportamento da adsorção da água pela zeólita foi estudada para determinar os fatores que caracterizam a performance da adsorção. A adsorção isobárica do par zeólita - água é apresentada na figura 3, em que as temperaturas de saturação correspondente as pressões de saturação são 10, 20 e 30 °C.


Figura 3 - Capacidade de adsorção isobárica do par zeólita – água

Na figura 3, a linha vermelha corresponde a temperatura de saturação de 10 °C, a linha azul a temperatura de 20 °C e a linha verde a temperatura de 30 °C.

Da equação 08 obtemos que a máxima capacidade de adsorção quando a temperatura de evaporação for 10 °C, a temperatura de saturação for 10 °C e a temperatura de regeneração for de 300 °C, como pode ser observado na figura 4. Estes valores correspondem ao sistema operando nas piores condições.

Figura 4 - Efeito da temperatura de regeneração na capacidade de estocagem de energia


A máxima capacidade de adsorção ocorrerá quando a temperatura de evaporação for de 10 °C, a temperatura de condensação for de 50 °C e a temperatura de regeneração for de 300 °C, onde teremos uma capacidade de estocagem de energia de 633,472 kJ para cada Kg da zeólita. A máxima capacidade de adsorção para estes valores é apresenta na figura 5.

Figura 5 - Capacidade máxima de estocagem de energia

5.2 Coeficiente de Performance

De acordo com a equação 9, se o sistema operasse de conforme o ciclo de Carnot, ele apresentaria o seguinte COP:

Figura 6 - Gráfico do COP de Carnot em relação a temperatura de regeneração


Para a figura 6 temos que a Tev é igual a 10 °C, a Tcon equivale a 60 °C e a To equivale a 38 °C. Para as mesmas condições anteriores, só que para o sistema operando em temperaturas ambientes diferentes, teremos os seguintes COP:

Figura 7 - Gráfico do COP para temperatura ambiente de 25 °C

Figura 8 - Gráfico do COP para a temperatura ambiente de 38 °C

Pelos gráficos das figuras 6, 7 e 8, constata-se que quando a temperatura ambiente for de 25 °C teremos o melhor COP, que nas condições estabelecidas para este projeto teria um COP de 0,51 contra um COP de 0,38 quando a temperatura ambiente for de 38 °C.


6. CONCLUSÃO

Pelo que foi analisado neste projeto, percebe-se que este sistema tem uma grande vantagem em relação a outros sistemas de adsorção que utilizam pares adsortivos diferentes, sendo que esta vantagem é a elevada capacidade de estocagem de energia, isto ocorre devido ao fato de ser utilizado o par adsortivo zeólita-água, o qual permite armazenar quantidades de energia maior do que sistemas que utilizam outro par adsortivo, sendo que o valor dessa energia armazenada pode chegar até 650 KJ/Kg de adsorvente contra 333 KJ/Kg de um sistema de produção de gelo utilizando o par adsortivo carbono ativado-metanol, com a mesma massa de adsorvente.

Com relação ao coeficiente operacional do sistema, cujo valor máximo observado foi de 0,57, apresentou-se no mesmo patamar que os valores encontrados em outros projetos de pesquisa já realizados, só que este sistema irá operar em regime permanente. Este sistema pode ser utilizado futuramente em transportes coletivos, como ônibus e metrôs, além do objetivo inerente neste presente trabalho e, além disso, será de fácil instalação.

REFERÊNCIAS

LAUAND, Carlos A.. Manual prático de geladeira: refrigeração industrial e residencial. 4ed. Curitiba: Hemus, 2000. 245p.

LEITE, A. P. F.; DAGUENET, M. Performance of a new solid adsorption ice maker with solar energy regeneration. Energy Conversion and Management [S.I.], v. 41, n. 15, p. 1625-1647, 2000.

LEITE, A. P. F. et al.Experimental evaluation of a multi-tubular adsorber operating with activated carbon-methanol. Adsorption-Journal of the International Adsorption Society [S.I.], v. 11, p. 543-548, 2005.

LU, Y. Z. et al. Adsorption cold storage system with zeolite-water working pair used for locomotive air conditioning. Energy Conversion and Management [S.I.], v. 44, n. 10, p. 1733-1743, 2003.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao Instituto Federal do Piauí, pelo incentivo através da bolsa fornecida e esperamos que o mesmo fomentasse a continuação da pesquisa, a qual se procederá através da construção do protótipo. Agradecemos também ao professor Hubert pelo incentivo através das práticas de laboratório e ao professor Abimael pela ajuda na resolução das aplicações matemáticas e ao professor Francisco Fernandes pela ajuda na resolução do ciclo termodinâmico.


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