José Joaquim da Costa Dep. Eng. Mecânica Universidade de Coimbra

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1 DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO SOLAR POR ADSORÇÃO José Joaquim da Costa Dep. Eng. Mecânica Universidade de Coimbra (Doutoramento de Gonçalo V. N. Brites)

2 Sumário Introdução aos ciclos de adsorção Caracterização de materiais adsorventes Construção e estudo experimental do frigorífico solar Modelação numérica e estudo de otimização Conclusões

3 Ln Pressão Introdução - ciclos de adsorção Princípio de funcionamento do frigorífico solar Materiais escolhidos para o ciclo de refrigeração por adsorção: Sílica-gel e água P cond Equil. líq. / vapor Q cond F Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] Q regen B C Outros materiais que podem ser usados: Carvão ativado e metanol Zeolite e água Adsorventes compostos (ex. SWS) Materiais menos comuns (ex. carvão ativado e amónia) P evap E Q evap T evap Q aquec A T final ads T cond Q adsor D Q arref T final des Temperatura Ciclo teórico de adsorção Sílica-gel Zeolite Carvão ativado

4 Introdução - ciclos de adsorção Princípio de funcionamento do frigorífico solar h Condensador F E Te sensor de pressão C B Qcond D A Ta Tf Tb Temperatura Evaporador e caixa frigorífica F E Te Esquema do frigorífico solar E A Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] C B D A Ta Tf Tb Temperatura Equilibrio líq./vapor Qads C B D Ta Tf Tb Temperatura F E Te Tc Qevap Tc A Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] C B D Ta Tf Tb Temperatura Tc 4 fases do ciclo, com a duração total de 24 horas Determinação do coeficiente de desempenho: COPsolar Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] h Equilibrio líq./vapor Ln Pressão reservatório de condensados F Te Tc h Qarref Equilibrio líq./vapor Qsolar Ln Pressão Ln Pressão Qsolar Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] Ln Pressão coletor / adsorsor h Equilibrio líq./vapor mevap Levap mcond c P (Tcond Tevap ) Qsolar 24 h Qsolar Acol G T 0h dt

5 Introdução aos ciclos de adsorção Dos trabalhos de investigação mais recentes ( ): Valores do coef. de desempenho variam desde 0.04 a 0.30, com valores médios entre 0.10 e 0.15 Pares mais utilizados: sílica-gel/água e carvão ativado/metanol Funcionamento do ciclo em vácuo parcial Baixo coeficiente de desempenho e baixa capacidade frigorífica Sistema completamente autónomo (sem componentes elétricos) Sistema praticamente sem manutenção Objeto de grande interesse e estudo, sem avanços recentes apreciáveis Ainda não atingiu uma fase comercial (exceção: chillers de adsorção)

6 Caracterização de materiais adsorventes Ciclo teórico com diferentes pares (para iguais temperaturas do ciclo) Tcond = 35ºC Tevap = 0ºC Tmax,ads = 80ºC Tmin,ads = 25ºC Sílica-gel tipo A - água Sílica-gel tipo RD - água Carvão ativado - metanol SWS - água Zeolite - água Comparação do COP (ciclo)

7 Caracterização de materiais adsorventes Influência da temperatura de regeneração: COP do ciclo em função da temperatura de regeneração Energia necessária ao ciclo de adsorção para atingir a temperatura de regeneração Expetativas de COP do frigorífico solar: Q solar, col [kj] Q evap [kj] COP solar Sílica-gel A - água Sílica-gel RD - água SWS-1L - água Carvão ativado - metanol

8 Construção e estudo experimental do frigorífico solar Pormenores construtivos Adsorsor Condensador Frigorífico solar Caixa frigorífica

9 Construção e estudo experimental do frigorífico solar Condições reais 1 ciclo de adsorção COP solar = COP solar = 0.061

10 Construção e estudo experimental do frigorífico solar Condições reais - vários dias consecutivos

11 Modelação numérica e estudo de otimização Coletor: Coef. global de transf. calor (Duffie, 2006): Potência térmica trocada com o exterior: Qutil Acol S U L Tpm Tamb U top C T pm Tpm Tamb Tpm Tamb N 1 e 2 N f p 1 Tpm Tamb hw N N f p Nhw g Caixa frigorífica: Condensador: coletor / adsorsor Equação de conservação de massa: Condensador magua,liq magua,total magua,adsorvida magua,cond mgelo Equação de conservação de energia: Qparede Qc arg a Qagua,cond dmagua,evap dt Levap dmgelo dt d (mcond cp,cond Tcond ) sensor de pressão reservatório de condensados L f, gelo 0 Equação de conservação de massa: Evaporador e caixa frigorífica dt Q magua,cond Lcond Equação de conservação de energia: Q U cond Acond (Tcond Tamb ) Massa total de água: magua,liq magua,adsorvida magua,cond mgelo magua,total Coeficiente de desempenho: COPsolar Qevap Qsolar 24 h 24 h Qevap m evap 0h Levap dt mcond cp,cond (Tcond Tevap ) Qsolar Acol G T 0h dt

12 I = 1 I = 2 I = 27 Modelação numérica e estudo de otimização Modelação numérica do adsorsor Equação de conservação de energia: c k (1 ) h 2 2 t x y dt X 2 2 P T T T dx silica gel ads Modelo LDF cinética de adsorção Equação Toth: dx 15 De X dt R 2 p X () t K exp[ H ( R' T)] P 0 ads eq t 1/ t {1 [ K0 X m exp( Hads ( R' T)) P] } eq Massa de água adsorvida/desadsorvida (em cada iteração): m / X ( t) X ( t 1) m ads des med med silica a) Pormenor de uma célula em corte dt/dx = 0 Y J = 22 J = 21 J = 20 J = 2 X J = 1 fluxo de calor conhecido q [W/m2] b) Discretização do leito de sílica-gel INOX ALUMINIO X dt/dx = 0 Y dt/dy = 0 Método numérico dos volumes finitos c) Condições de fronteira a a a a a b P P E E W W N N S S

13 Modelação numérica e estudo de otimização Comparação entre a simulação e os resultados experimentais: : T amb, max = 40ºC Temperaturas, pressão e radiação solar. Boa concordância dos valores das temperaturas Pressão máxima mais elevada na med. experimental Grande discrepância nos valores do COP Ciclo de adsorção COP exp = COP num = COP teorico = 0.167

14 Modelação numérica e estudo de otimização Otimização - Parâmetros estudados: Massa de adsorvente por unidade de área de coletor plano; Número de alhetas no interior do coletor; Azimute solar do coletor; Coeficente de transferência de calor durante o arrefecimento noturno do coletor; Resistência térmica de contacto entre o leito de sílica-gel e a placa do coletor; Área de superfície exterior do coletor; Superfície lívre do evaporador, onde ocorre a evaporação; Coeficiente de absorção solar da placa do coletor;

15 Modelação numérica e estudo de otimização Influência da massa de adsorvente: Efeito da massa de adsorvente no coef. de desempenho Efeito da massa de adsorvente no ciclo de adsorção simulado Para a geometria estudada, existe um valor ótimo da massa de sílica-gel Aumentar a massa de sílica-gel pode prejudicar o COP É possível reduzir massa de adsorvente sem grande diminuição do COP

16 Temperaturas no interior do adsorsor: :00h Modelação numérica e estudo de otimização Influência da massa de adsorvente: 93ºC 99.4ºC 101.4ºC 81ºC (10 kg sílica-gel: COP = 0.09) Influência do número de alhetas: 93ºC (30 kg sílica-gel: COP = 0.11) 93ºC 81ºC 88.5ºC 9 alhetas: COP = alhetas: COP = 0.14

17 Modelação numérica e estudo de otimização Orientação solar do coletor: Arrefecimento noturno do coletor Resistência térmica de contacto: Revestimento da sup. coletora:

18 Modelação numérica e estudo de otimização Características do frigorífico solar otimizado: Protótipo inicial Protótipo proposto Massa de sílica-gel 30 kg 30 kg Número de alhetas no adsorsor 9 19 Azimute do coletor solar 0 (sul) +40 (para poente) Arrefecimento noturno U top, noite = U top U top, noite = 2 x U top Resistência térmica de contato 1.5x10-1 m 2 C/W 1.0x10-2 m 2 C/W Área do condensador 20 m 2 20 m 2 Pressão do evaporador 500 Pa 550 Pa Pintura do coletor solar Tinta spray preto vulgar Tinta preto carbono Resultados ( T amb, max = 40ºC): COP exp = 0.06 COP simul = 0.11 COP simulado,opt = 0.28 Temperaturas, pressão e radiação solar. Ciclo de adsorção

19 Conclusões finais Conclusões COP experimental entre 0.06 a 0.08, ficou abaixo do esperado Estudo de otimização permite prever valores do COP superiores a 0.25 Potencial de aplicação para lugares remotos Construção robusta, possível de utilizar no exterior com qualquer clima Utilização de materiais ecológicos e recicláveis Potência frigorífica comparável a um minibar de hotel Necessidade de estudar, desenvolver e testar novas aplicações Apoios Bolsa PhD SFRH/BD/24904/2005 Senior Undergradutae Project Grant Program 2007