INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS NO PROCESSO REGENERATIVO DE UM CHILLER ADSORTIVO

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1 INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS NO PROCESSO REGENERATIVO DE UM CHILLER ADSORTIVO Herbert Melo Vieira, 1 Joselma Araujo de Amorim, 1 Suêrda Bezerra Alves, 1 José Maurício A. M. Gurgel, 1 Cícero Herbert Teixeira Andrade, 1 1 Universidade Federal da Paraíba, LES/UFPB - Cidade Universitária, Cep João Pesso PB. Resumo: Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos através da simulação numérica de um sistema de refrigeração por adsorção, que foi validado através da comparação com dados experimentais. Com o modelo desenvolvido foi possível verificar a influência dos parâmetros no processo adsortivo/dessortivo que ocorre no interior do chiller adsortivo como: temperatura do fluido térmico, que é usada para regenerar o leito poroso, e a área de troca térmica de contato entre os dutos aletados e leito poroso. Um condensador e um evaporador estão acoplados ao chiller, onde o adsorbato (água) que esta adsorvido no adsorvente (sílica-gel) é condensada e transferida para o evaporador, quando o leito poroso atingir a temperatura máxima, faz-se passar sobre o mesmo água fria, promovendo o rápido resfriamento e consequentemente a adsorção do adsorbato que encontra-se no evaporador, produzindo desta forma o efeito frigorífico. Os resultados obtidos mostram que a temperatura do fluido térmico é fundamental para o bom desempenho do sistema, verificou-se também que quanto maior a área de troca térmica, mais rapidamente ocorrerá o ciclo adsortivo/dessotivo. Palavras-chave: Chiller, Adsorção, Refrigeração. 1. INTRODUÇÃO A adsorção é um fenômeno físico e ou químico que ocorre devido ao desbalanceamento entre as forças de interação de partículas (átomos ou moléculas) que formam um sólido e aquelas de um fluido que se encontra em contato com este sólido. Em compostos microporosos (diâmetro do poro menor que 4 nm) a adsorção ocorre no interior de canais de dimensões moleculares e não apenas em mono ou multicamadas sobre a superfície do sólido, como ocorre quando este sólido apresenta meso ou macro poros (poros maiores que 4 nm). No processo de adsorção, os microporos do adsorvente são preenchidos com moléculas do adsorvato, sem que haja mudança em seu volume. Em um sistema de refrigeração por adsorção, o adsorvente contido em um reator tem seus microporos preenchidos pelos vapores do refrigerante saturado provenientes do evaporador. A vaporização do refrigerante no evaporador ocasiona o efeito frigorífico desejado. Este trabalho apresenta os resultados obtidos através da simulação matemática de um sistema de adsorção que utiliza um chiller adsortivo. Os chiller adsortivos que apresentam um bom desempenho são mais caros, pesados e ocupam mais espaço quando comparados aos de absorção (HENNING, 2005), estes chillers trabalham sob condições típicas de operação, com uma temperatura para regeneração do leito adsortivo de aproximadamente 80 C, estes sistemas apresentam um COP de aproximadamente 0,60. A validação do código computacional desenvolvido foi obtidaatravés da comparação com resultados experimentais. Em 2005 um chiller adsortivo foi testado experimentalmente onde foi verificado que as condições de temperaturas, taxas de fluxos e tempo de ciclo são dependentes, para obter um bom desempenho do sistema,(chang, 2007).

2 2. METODOLOGIA Resumidamente, o processo de refrigeração por adsorção utilizando um chiller adsortivo de simples efeito, é composto por um boiler (reservatório térmico), que tem como finalidade armazenar água quente, usada para regeneração do leito adsortivo, sendo, esta água aquecido através de resistências elétricas que encontram-se dentro do boiler, mantendo desta forma, o fluído térmico (água) na temperatura constante desejada. O chiller adsortivo é composto por tubos aletados, que contribui para uma maior área de troca de calor entre o fluído térmico e o adsorvente, um condensador e um evaporador estão acoplados ao chiller, onde, o adsorbato (água) que esta adsorvido no adsorvente (sílica-gel) é condensada e transferida para o evaporador, quando o leito poroso atingir a temperatura máxima, faz-se passar sobre o mesmo água fria, promovendo o rápido resfriamento e consequentemente a adsorção do adsorbato que encontra-se no evaporador, produzindo desta forma o efeito frigorífico desejado. Na Figura 1 é mostrado um esquema simplificado do funcionamento do sistema. Resultados experimentais utilizando tubos de calor em chiller adsortivos tem mostrado que são muito eficientes em sistemas de refrigeração por adsorção (Wang, 2008). Figura 1 Esquema do sistema de resfriamento de água utilizando um chilleradsortivo 3. MODELO MATEMÁTICO A simulação matemática apresentada neste trabalho, foi construída partindo-se da equação de Dubinin-Astakhov, que propõe uma relação entre concentração do adsorbato adsorvido no adsorvente, temperatura do leito poroso e a pressão do sorbato, com as condições iniciais conhecidas como temperatura do fluido térmico máxima e mínima, massa de adsorvente, e pressão inicial do leito poroso, é possível obter as pressões, temperatura e concentrações em função do tempo no leito poroso, o método de diferenças finitas foi utilizado para discretizar as equações utilizadas conforme apresentado a seguir, também Foram feitas algumas considerações, sendo apresentadas: Os processos de adsorção e dessorção são considerados quase estáticos; A pressão é uniforme em qualquer ponto do leito adsortivo para cada instante de tempo, variando entre a pressão inicial e a pressão de condensação do adsorbato, o que corresponde a desprezar as resistências internas e a difusão de massa no leito poroso. A distribuição de temperatura no adsorvente é considerada uniforme a cada instante de tempo, O leito adsortivo, em presença de vapor do adsorbato, é tratado como um sólido contínuo e homogêneo. Uma simulação relativa a modelação matemática de todo o sistema frigorífico, foram testadas e confrontadas com resultados experimentais, obtidos em diversos trabalhos Guilleninot et al (1987) e (Gurgel e Klüppel, 1992), transmitindo assim uma boa credibilidade as simulações. A concentração do adsorbato no leito poroso é obtido através da equação a baixo de Dubini - Astakovic. X = W0ρ ( T ) exp k. R T leito Ps. ln P leito n (1)

3 Energia térmica armazenada no Boiler: Q H = m boiler c ( T T p, água final inicial ) (2) 3.1. Chiller adsortivo Por se tratar de um equipamento composto por um grande número de dutos com o adsorvente compactado entre eles, o mesmo foi considerado como sendo uma placa em contato com o leito poroso correspondente a mesma área da soma dos dutos. Para os dutos temos: (3) Para o leito poroso temos: Sendo: (4).. (5) O calor de sorção e dada pela equação:.! (6) Pela equação de Clausius Clapeyron (Ruthven,1984) " # $ % & ' (7) 3.2. Condensador A temperatura da água de resfriamento no condensador é considerada constante, na simulação foi realizada considerando-se várias especificações, onde a variação do coeficiente de transferência convectiva de calor determina a eficiência do resfriamento.. (. )*+, Evaporador - )*+,.. /..á12 á12. (8) No evaporador são realizados dois balanços de energia, um para o adsorbato que está no evaporador e o outro balanço para o fluido que terá sua temperatura diminuída, no caso deste trabalho será água, sendo desprezada a massa metálica do evaporador. Desta forma temos: 3. (. 3. 4,&*5647* - 4,&*56.. / 8 3.á12 3.á12 á : (9) Para o fluido a ser resfriado: á12. (.á12 á;<4 8 3.á12 3.á12 3. á12. 8 á12.-3 á á12 (10)

4 Cálculo do coeficiente de desempenho (COP) do sistema de refrigeração solar =>? B (11) Energia retirada do fluido a ser resfriado para evaporar o adsorbato: Massa de águaevaporada: C - 4,&*5647* - 4,&*5E@+7@ (12) F 9C -ág. C -H. : I FF (13) Energia retirada do fluido a ser resfriado para evaporar o adsorbato: F F. /% (14) 3.4. Validação do Modelo Matemático O programa foi validado através da comparação com os resultados obtidos experimentalmente por Y. L. Liu et al (2005), sendo testado um sistema de refrigeração por adsorção para resfriar água, onde não era utilizado válvulas, diminuindo desta forma a queda de pressão do fluido refrigerante, neste trabalho foi utilizado o par sílica gel/água, uma quantidade de 26,4 kg de sílica gel em cada leito poroso, temperatura do fluido térmico para regeneração do leito variando de 70 a 85 ºC, e uma área de troca térmica de 34,05 m 2 os resultados obtidos demonstraram que o sistema apresentou uma capacidade de refrigeração de 2 a 7,3 kw, variando de acordo com a temperatura do fluido térmico, e um COP de 0,2 a 0,42, os dados utilizados para simulação foram: Temperatura do fluido térmico 80ºC, massa de sílica gel 26,4 kg, e área igual a do experimento, como pode ser verificado na Fig. 2, é possível observar que os resultados simulado e experimental foram bastante similares, mostrando que o programa desenvolvido representa com bastante aproximação um sistema de refrigeração por adsorção. 80 Simulação Experimental - Y.L.Liu et al (2005) 75 Temperatura do leito poroso ( C) Tempo (s) Figura 2. Comparação entre resultados simulados e experimentais 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Para verificar a influência da temperatura do fluido térmico que fornecer energia ao leito poroso, foram simulados varias temperaturas no reator adsortivo, e verificou-se que quanto maior a temperatura do fluido térmico

5 menor a concentração de adsorbato no leito poroso, conforme apresentado na Fig. 3 podemos observar que quando o fluido térmico entra no leito a 90 C a concentração mínima de adsorbato é de aproximadamente 0,04 kg de água/kg de sílica gel, quando o fluido térmico está a 60 C a concentração mínima atingida é de aproximadamente 0,13 kg de adsorbato/kg de sílica gel, desta forma quanto maior for a temperaturas do fluido térmico maior quantidade de adsorbato no evaporador, possibilitando assim uma maior capacidade de refrigeração. (massa de adsorvente / massa de adsorbato) (kg) 0,30 0,27 0,24 0,21 0,18 0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 0, Tempo (min) Temp. 60 C Temp. 70 C Temp. 80 C Temp. 90 C Figura 3. Concentração de adsorbato no leito poroso A potência frigorífica do sistema foi plotado em função da temperatura de regeneração do leito adsortivo Fig. 4, pode-se observar que a potência frigorífica aumenta à medida que a temperatura do leito aumenta, para a temperatura de 60 C a potência obtida foi de 0,71 kw e uma potência frigorífica de 2,46 kw para a temperatura de 90 ºC, sendo este um valor quase três vezes e meia maior que o anterior, deste modo, os resultados obtidos indicaram que o poder frigorífico do sistema é muito dependente da temperatura de regeneração do leito poroso. 2,5 Potência frigorifíca (kw) 2,0 1,5 1,0 0, Temperatura leito poroso ( C) Figura 4. Variação da potência frigorífica com a temperatura do leito poroso.

6 Temperatura do Leito Poroso (K) Tempo (min) Área 2 m 2 Área 4 m 2 Área 6 m 2 Área 8 m 2 Figura 5. Variação da área de troca térmica do leito poroso. Podemos observar claramente na Fig. 5 a importância da área de troca térmica entre o fluido térmico e o leito poroso, variando-se esta área a uma operação de trabalho do sistema de 90 ºC, temperatura de regeneração do leito, 28 ºC, temperatura do fluido para resfriamento do leito, e temperatura do evaporador de 7ºC, observa-se que os resultados apresentados pela simulação, indicaram que o aumento da área de contato contribui para redução no tempo de aquecimento do leito, O tempo que o leito leva para atingir a temperatura de 90 ºC é reduzido em mais de 30 min quando variando a área de 2 m 2 para 8 m 2, conforme apresentado na Fig. 5, verificando deste modo que a área de troca térmica é um parâmetro de grande importância, que contribui para o aumento da eficiência do sistema. 5. CONCLUSÃO Através da observação dos dados plotados pela simulação, pode-se concluir que o desempenho do sistema é bastante dependente das condições de funcionamento, como as temperaturas do fluido térmico e área de contato térmico entre o leito poroso e os dutos aletados. Neste trabalho são apresentados os resultados da simulação de um sistema de refrigeração que utiliza um chiller adsortivo, os resultados mostraram que, quando fixamos a vazão e variamos a temperatura de entrada do fluido térmico no chiller, a concentração de adsorbato no leito poroso tende a ser menor à medida que aumentamos a temperatura do leito poroso. Fixando a área de troca térmica em aproximadamente 7 m 2 e variando a temperatura do fluido térmico, constatou-se que quanto maior a temperatura do fluido menor será a concentração de adsorbato no leito poroso, em um intervalo de tempo menor (Fig. 3), desta forma uma maior quantidade de adsorbato poderá está disponível no sistema contribuindo para uma maior potência frigorífica. Foi verificado que a temperatura do fluido térmico tem influência direta no aumento da capacidade de refrigeração do sistema, nota-se que, de acordo com as condições simuladas a capacidade de refrigeração tende aumentar à medida que ocorre elevação da temperatura do fluido térmico ver Fig. 4. A influência da área de troca térmica também foi estudada, verificando que a mesma contribui bastante para redução do tempo do ciclo, através do aumento da taxa de transferência de calor para o leito poroso, foi observado que com o aumento da área de troca de calor para um leito adsortivo, a uma temperatura de 90 C o tempo gasto para o leito atingir a temperatura máxima diminui com o aumento desta área (Fig. 5), mostrando a importância da área de troca térmica para redução no tempo do ciclo adsortivo/dessortivo. Na Fig. 4 pode ser observado que com o aumento da temperatura do leito poroso a um aumento considerável na potência frigorífica devido a maior disponibilidade de adsorbato no evaporador. De acordo com os resultados da simulação o sistema operando a uma temperatura do fluido térmico a 90 ºC, temperatura de condensação de 28 C, temperatura no evaporador de 7ºC, temperatura da água para resfriamento do leito de 28 ºC e utilizando uma massa de adsorvente de 30 kg, no leito poroso, foi possível obter uma potência frigorífica acima de 2 kw.

7 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio financeiro concedido pelo CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico e a todos que ajudaram na realização deste trabalho. 7. REFERÊNCIAS Chang,W.S.; Wang C.C.; Shieh C.C. Experimental study of a solid adsorption cooling system using flat-tube heat exchangers as adsorption bed. Applied Thermal Engineering.V.27, p , Gurgel J. M. e Klüppel, R.P.,1992, Simulação Numérica de um Sistema de Refrigeração por Adsorção, anais do IV ENCIT, Rio de Janeiro. Guilleminot, J.J., Meunier, F. and Pakleza, 1987, J. Heat and Mass transfer in a non isothermal fixed bed solid adsobent reactor: a uniform pressure/non-uniform temperature case, Int. J. of Heat Mass Transfer, V 30, N 8, pp HENNING, H-M. Solar Assisted Air Conditioning of Buildings An Overview. Proceedings Heat SET 2005 Heat Transfer in Components and Systems for Sustainable Energy Technologies. França, Ruthven, D. M., 1984, Principles of adsorption and adsorption processes, Wiley Interscience, New York, Wang R.Z. Efficient adsorption refrigerators integrated with heat pipes.appiedthermalengineering.v.28, p , Y.L.Liu, R.Z. Wang, Z.Z. Xia. Experimental study on a continuous adsorption water chiller with novel desingn. Int. J. Refrig. 28 (2005) DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. NOMENCLATURAS: W 0 - Constante da equação de Dubinin-Astakhov; ρ (t) - massa especifica do adsorbato (kg/m 3 ); n - Constante da equação de Dubinin-Astakhov que depende do adsorvente utilizado (para a sílica gel n=1); Q ref - Energia de resfriamento do sistema para resfriar água(kj); T leito s -Temperatura do leito poroso ( C); P - Pressão de saturação do adsorbato(kpa); Q H - Energia para aquecimento do sistema no Boiler (kj); L vap. - Calor latente de vaporização da água;. - Massa do condensador (kg); M boiler - Massa de água armazenado no boiler (kg); (. - Calor especifico do condensador (J/kg); - )*+,. - Variação da massa de adsorbato condensada (kg);. / - Calor latente de condensação do adsorbato(j/kg); K - constante de Dubinin para sílica gel (0,004912) R - Constante universal para vapor de água(0,462 kj/kg. K) Coeficiente de perdas do adsorbato para o ambiente (W/m 2. K). C p,água - Calor especifico do adsorbato; m adsorbato - Massa de adsorbato condensada; á12 - Temperatura da água de resfriamento (K). T final - Temperatura final da água no boiler;.á12 - Área entre o condensador e a água (m 2 ); T inic.água - Temperatura inicial da água a ser resfriada ( C); T fin.água - Temperatura final da água a ser resfriada ( C);. -Coeficiente de convecção no condensador(w/m 2.K); P leito - Pressão no leito poroso (kpa); F - massa de água evaporada (kg); 3. - Massa do adsorbato no evaporador (kg); ( Calor específico do adsorbato (J/kg); 3. - Temperatura do adsorbato (ºC); - 4,&*56. (kg/s) - Variação da massa do adsorbato no evaporador. / - Calor latente de vaporização do adsorbato (kj/kg);

8 INFLUENCEOFTHEPARAMETERSOF ACHILLERREGENERATIVE PROCESSADSORPTIVE Herbert Melo Vieira, 1 Joselma Araujo de Amorim, 1 Suêrda Bezerra Alves, 1 José Maurício A. M. 1 Cícero Herbert Teixeira Andrade, 1 1 Federal Universityof Paraiba, LES/UFPB-University City, Zip Code JoãoPessoa - PB. Abstract This paper presents the results obtained by numerical simulation of an adsorption cooling system, which was validated by comparison with experimental data. With the developed model was able to verify the influence of process parameters on the adsorptive / dessortivo that occurs within do chiller adsortivo como: temperature heat transfer fluid, which is used to regenerate the porous bed, and the area of heat exchange contact between the finned pipes and porous bed. A condenser and an evaporator are coupled to the chiller where the adsorbate (water) that is adsorbed onto the adsorbent (silica gel) is condensed and transferred to the evaporator when the porous bed to achieve the maximum temperature, is passed on the same cold water, promoting rapid cooling and therefore the adsorption of the adsorbate which is the evaporator, thereby producing the effect refrigerator. The results show that the temperature of the thermal fluid is essential to good performance of the system, it was also found that the greater heat exchange area, the faster the cycle occurs adsorptive / dessotivo. Keywords: Chiller, Absorption, Refrigeration.