PROJETO DO EJETOR DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR JATO COMPRESSÃO DE VAPOR

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1 PROJETO DO EJETOR DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR JATO COMPRESSÃO DE VAPOR Luiz Carlos Pereira VARGAS (1); Cleiton Rubens Formiga BARBOSA, (); Franiso de Assis Oliveira FONTES (3); Igor Marel Gomes ALMEIDA (4). (1) IFBA, Endereço: Rua Emídio dos Santos, s/n - Barbalho - Salvador - Bahia. CEP: , telefone: (71) , fax: (71) , vargas@ifba.edu.br, () UFRN, Endereço: PPGEM Centro de Tenologia CEP Natal - RN, telefone: (84) , leiton@ufrnet.br, (3) UFRN, Endereço: PPGEM, Centro de Tenologia CEP Natal - RN, telefone: (84) , franisofontes@uol.om.br, (4) UFRN, Endereço: PPGEM Centro de Tenologia CEP Natal - RN, telefone: (84) , igormarel00@yahoo.om.br. RESUMO A utilização do alor residual de equipamentos e rejeitos térmios de sistemas de onversão de energia para produzir frio, é uma forma muito interessante de melhoria da efiiênia dos sistemas energétios. O presente artigo se destina ao estudo teório e experimental das araterístias um novo sistema de refrigeração intermitente por ejetor (jato-ompressão de vapor), om uso de alor residual. Iniialmente, foi realizado um levantamento bibliográfio sobre a tenologia de sistemas de refrigeração por jato-ompressão. Na fase seguinte investigou-se a onepção do prinipal elemento da proposta do sistema de refrigeração, o ejetor. No projeto deste elemento, foram utilizados modelos empírios disponíveis na literatura. Com o auxílio do software EES (Engineering Equation Solver) foram realizadas simulações om diferentes fluidos refrigerantes sintétios. O R141b apresentou as melhores propriedades termodinâmias e de transporte para o funionamento efiaz do protótipo. Com base nos resultados da simulação foi dimensionado o ejetor do sistema de refrigeração proposto. Palavras-have: ejetor, rejeitos térmios, refrigeração por ejetor, ilo de refrigeração intermitente.

2 1. INTRODUÇÃO Em proessos de ombustão, para transformar a energia térmia em energia meânia, uma parte signifiativa da energia é desperdiçada omo resíduo no meio ambiente. O alor rejeitado pode ser utilizado em sistemas de refrigeração por absorção, adsorção ou por ejetor. O sistema de refrigeração om ejetor é uma alternativa à utilização de energias renováveis e de resíduos térmios, mas não é utilizado massivamente por ausa de baixo oefiiente de desempenho COP, em omparação om os demais sistemas de refrigeração. Atualmente a refrigeração por absorção está sendo utilizada em diversas apliações, prinipalmente em ogeração. Um sistema de refrigeração om ejetor é similar a um sistema de ompressão de vapor, exeto para o método de ompressão do refrigerante. Um ejetor é usado no lugar de um ompressor meânio para omprimir o vapor de refrigerante a partir do evaporador para o ondensador. Sistemas eonômios podem ser obtidos quando aproveitados os resíduos de alor, energia solar ou rejeitos térmios. Estes sistemas têm vantagens em relação aos sistemas de ompressão de vapor, a saber: não tem partes móveis, não requerem lubrifiação, baixo usto e pequena manutenção operação, além de aproveitar energia barata.. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Muitas pesquisas têm sido desenvolvidas sobre este sistema. Al-Khalidy (1998) apresenta os oneitos do sistema de refrigeração por jato de vapor, orienta sobre a seleção de fluido refrigerante e propõe um método para avaliar estes sistemas utilizando omo refrigerante R113. Huang e Chang (1999) desenvolveram duas orrelações empírias para ejetores utilizando R141b omo fluido de trabalho, um método de álulo para o projeto de ejetor, utilizando as orrelações também é desenvolvida. R141b é mostrado no presente estudo, omo um bom fluido de trabalho para um sistema om ejetor. Huang et al. (1999) introduziu um novo oneito, omo uma âmara de mistura do ejetor a pressão onstante onde a mistura dos fluxos primários e seundários oorre dentro da área de onstante seção. A predição do desempenho do ejetor operando em modo rítio é realizada utilizando um modelo de fluxo unidimensional. Cizungu et al. (001) onluiu através da simulação omputaional de um sistema de refrigeração por jato-ompressão, utilizando omo fluidos de trabalho R13, R134a, R15a e R717 (amônia) que, para diferentes temperaturas de geração, a taxa de arraste do fluido seundário e a efiiênia do sistema (COP) dependem prinipalmente da geometria do ejetor e da taxa de ompressão. Chunnanond e Aphornratana (004) fêz uma revisão da literatura sobre ejetores e suas apliações em refrigeração, abordando questões relaionadas à teoria do ilo, o desempenho araterístio, fluido de trabalho et. Yapii (008) apresentou um estudo experimental de desenvolvimento de um ejetor om área onstante para vários refrigerante operando em baixa pressão, verifiando a influênia de vários parâmetros de funionamento. O objetivo desta investigação foram o dimensionamento e o desenvolvimento do ejetor de um sistema de refrigeração por jato-ompressão, operando no modo intermitente om R141b. Para a análise em questão, serão utilizados neste trabalho a plataforma EES (Engineering Equation Solver) e o método empírio, proposto por Huang e Chang (1999), onde são usados para orrelaionar o desempenho do ejetor a razão entre a área da garganta hipotétio do fluxo arrastado e a área da garganta do boal do fluxo primário Ae/At, os parâmetros geométrios de projeto do ejetor, a razão entre a área da âmara de mistura e a área do boal primário A 3 /A t, e a razão entre as pressões de geração e de evaporação, P g /P e, e a pressão rítia de ondensação e a pressão de evaporação P */P e. 1 O MODELO DO CICLO A onfiguração do sistema de refrigeração proposto é mostrada na Fig. 1. O sistema é omposto de um gerador de vapor, que usa o alor a partir de qualquer fonte de alor; um ejetor, que é o prinipal elemento deste sistema; um ondensador, através do qual os fluxos de alor são desartados para fora do sistema; um

3 evaporador, onde o frio é produzido; um tubo apilar, que introduz uma perda de arga; um aumulador e três válvulas solenóides. Fig. 1 - Diagrama do sistema de refrigeração por jato-ompressão de vapor intermitente Este sistema de refrigeração tem duas fases de operação: I) Fase de produção de frio: trabalha om as válvulas solenóides (A) e (C) fehadas e a válvula solenóide (B) aberta. O alor (Q g ) é forneido para o gerador (1), que libera vapor a alta pressão e na temperatura de geração (Tg), que passa pelo ejetor () arrastando o vapor do evaporador (5), reduzindo sua pressão e a temperatura de evaporação (T e ), produzindo o frio na âmara fria, ao retirar o alor (Q e ) do ambiente, que é o alor latente de vaporização do fluido refirgerante. Os vapores são misturados no ejetor () e onduzidos ao ondensador (3) onde será liquefeito, desartando o alor (Q ) do sistema, que é o alor latente de ondensação do fluido refrigerante e parte deste ondensado vai para o evaporador (5) através do tubo apilar (4) e a outra parte é armazenada no aumulador (6); II) Fase de rearga de refrigerante: as válvulas solenóide (A) e (C) são abertas e a válvula solenóide (B) é fehada. O fluido de trabalho aumulado no vaso (6) é transferido para o gerador (1), ompletando o ilo de refrigeração intermitente. SELEÇÃO DO REFRIGERANTE A seleção do refrigerante foi definida em função da araterístia da linha de vapor saturado no diagrama T- S e do prinípio de funionamento do ejetor. Em primeiro lugar, se a inlinação da urva de vapor saturado seo for negativa, na expansão isentrópia do fluido de trabalho, este irá ondensar, diz-se então, que o vapor é úmido e, neste aso, é neessário superaqueer o vapor para não ausar um mau funionamento do ejetor. Como no sistema proposto o refrigerante não é superaqueido, priorizou-se a operação om fluidos seos. Em segundo lugar, se a inlinação da urva de vapor saturado for positiva, a expansão vai superaqueer o vapor, neste aso, não haverá neessidade de superaqueimento, diz-se que o vapor é seo, o que é desejável. Chunnanond e Aphornratana (004) enumeraram os fatores mais importantes para seleção do refrigerante para estes sistemas: a) o líquido deve ter um grande alor latente de vaporização, de forma a minimizar a taxa de irulação por unidade de apaidade de refrigeração, b) a pressão hidrostátia no gerador de vapor não deve ser demasiado elevado, a fim de evitar vasos de onstrução pesada; ) o fluido deve ser quimiamente estável, não-tóxio, não explosivo, não orrosivo, eológios e de baixo usto; d) o refrigerante om menor valor de massa moleular exige omparativamente maiores ejetores para sistemas de mesmas apaidades. As difiuldades de onstrução dos omponentes de ejetores de pequeno porte devem ser onsideradas. No entanto, o fluido de maior massa moleular leva a um aumento da taxa de arraste e a

4 efiiênia do ejetor. A Tabela 1 mostra os refrigerantes pré-seleionados para a operação e suas respetivas araterístias. Tabela 1. Fluidos de trabalho de sistemas de refrigeração om ejetor. Chunnanond an Aphornratana (004) Caraterístias R11 R1 R113 R13 R141b R134a R718b (Água) Ponto de evaporação (ºC) a 1atm 3,7 9,8 47,6 7,9 3,1 6,1 100 Pressão (kpa) a 100ºC Massa moleular (kg/kmol) 137,38 10,9 187,39 15,93 116,9 10,03 18,0 Calor latente a 10ºC 186,3 147,6 155,3 176,8 19,4 190,9 57 GWP ,4 0,0 0,15 0,6 0 ODP 1 0,9 0,8 0, ,0 0 Vapor seo ou úmido Úmido Úmido Seo Seo Seo Úmido Úmido 1 (Global warming potential); (Ozone depletion potential) A análise da Tabela 1 revela que o R718b, (água), apresenta as araterístias ideais para o funionamento do sistema proposto, no entanto, existem algumas desvantagens. Usando a água omo refrigerante a temperatura de refrigeração limite deverá estar aima de 0ºC e o sistema deve estar sob ondição de váuo. Além disso, a água tem grande volume espeífio nas ondições típias do evaporador e para minimizar a perda de pressão, o diâmetro da tubulação deve ser grande para atender ao grande fluxo volumétrio (Chunnanond e Aphornratana, 004). A seleção final limitou-se aos fluidos: R13 e R141b, esolhendo o fluido R141b, que é abundante e de baixo usto, além do bom desempenho termodinâmio nos sistemas de refrigeração por jato-ompressão de vapor, de aordo om Huang et al. (1999), Huang e Chang (1999) e Chunnanond e Aphornratana (004). Vários outros refrigerantes foram utilizados no sistema de refrigeração de jato de vapor. Sankarlal e Mani (007) utilizou a amônia (R717) de forma satisfatória. Selvaraju e Mani (004) fez uma análise omparativa do desempenho do ejetor operando om R134a, R15a, R90, R600 e R717. Eles onluíram que o R134a dá um melhor desempenho e maior razão rítia de arraste, em omparação om os outros refrigerantes. Alexis e Katsanis (004) propuseram um sistema de refrigeração por jato de vapor om metanol para avaliar o COP em função da variação das pressões e temperaturas de geração, ondensação e evaporação, e onluiu que a uma maior efiiênia operaional pode ser obtida, para uma determinada temperatura de evaporação, om o aumento da pressão do gerador. Sun (1999) omparou o desempenho dos refrigerantes: R718, R11, R1, R13, R1, R13, R14b, R134a, R15a, RC318 e R500. A autora onluiu que, para CFC's, o R1 apresenta melhor desempenho, para os HCFC, o R14b tem o melhor COP; os HFC testados possuem desempenho semelhante, sendo que o R15a teve o melhor desempenho entre todos os outros refrigerantes. Utilizando os HFC, que não ausam redução do ozônio, também se produz benefíios ambientais suplementares. 3 O EJETOR O ejetor é o elemento have do sistema de refrigeração de jato-ompressão de vapor, foi desoberto, por Charles Parsons quando fazia váuo em ondensadores para turbinas a vapor. O sistema de refrigeração de jato-ompressão de vapor foi estudado, em primeiro lugar, por Leblan em 1910, Gosney, 198 apud Chunnanong e Aphornratana, 004. O ejetor onsiste basiamente de quatro partes prinipais: boal primário onvergente-divergentes, âmara de sução, âmara de mistura e difusor divergente. A âmara de mistura é lassifiada: a pressão onstante e a volume onstante. Neste trabalho será utilizada a âmara de mistura a volume onstante. Huang e Chang (1999) define três modos operaionais para os ejetores de aordo om a ontra-pressão (pressão de ondensação): no modo rítio P P *, quando o fluxo primário e o fluxo arrastado entram em hoque na âmara de mistura (são bloqueados); modo subrítios enquanto apenas o fluxo é primário é bloqueado, e modo de mau funionamento, quando tanto o fluxo primário e o fluxo seundário não são bloqueados. Para um melhor desempenho de um sistema de refrigeração a jatoompressão de vapor, o ejetor deverá ser projetado e operado no modo rítio. Onde P é a pressão de ondensação, P e é a pressão de evaporação, P * é a pressão rítia de ondensação e P o é a ondição limite

5 de pressão de ondensação do ejetor no modo operaional. Neste trabalho usou P = P *, omo o melhor desempenho é obtido om a rítia modo. No método de dimensionamento do ejetor foi assumido que a mistura dos dois fluxos (primário e seundário), oorre em uma área efetiva A e na âmara de mistura de volume onstante e om base na orrelação empíria proposta por Huang e Chang (1999). Se o desempenho é estimado pelo álulo do quoiente entre o fluxo primário e o fluxo seundário (ω) em função das relações entre a área efetiva (garganta hipotétia), do fluxo seundário (A e ) e da garganta do boal (A t ), o parâmetro de projeto geométrio para ejetor (A 3 /A t ) e das pressões P g, P e P *. O fluxo primário parte do gerador e o fluxo seundário parte do evaporador. A Figura mostra um modelo esquemátio das regiões e suas dimensões araterístias. Fig. Diagrama esquemátio e dimensões araterístias de um ejetor. Huang e Chang (1999) 3.1 Correlações empírias do ejetor Para o dimensionamento do ejetor om R141b, foi utilizado o método empírio proposto por Huang e Chang (1999). As dimensões araterístias, apresentadas na Fig., são determinadas om bases nas seguintes equações: Ae 3 A 3 A = 0, , 436 [Eq. 01] At At At A3 A t = b + b r + b r + b r + b r r + b r r + b r + b r r + b r r [Eq. 0] g 4 g 5 g 6 g 7 g 8 g * Onde: P P g r = ; r g = ; 4497 P P b = 5, ; b 6, 1 = b = 1, 495 ; b =, ; b 4 = 0, 590 ; e e b 5 = 0,018105; b 6 = 0, ; b = 0, ; b 0, = A e é a área da garganta hipotétia do fluxo seundário, A t é a área da garganta do boal e A 3 é a área da âmara de mistura. As equações (1) e () são as equações básias do ejetor. O dimensionamento do ejetor é desenvolvido om base na meânia dos fluidos e orrelações empírias, om auxílio do software EES (Engineering Equation Solver). Na tabela, são apresentados os dados de entrada do proesso iterativo.

6 Tabela - Variáveis operaionais do sistema de refrigeração por jato-ompressão Variáveis de entrada Valor Pressão do gerador (Pg) 0,53767 MPa Temperatura do gerador (Tg) 90ºC Pressão do evaporador (Pe) 0, MPa Temperatura do evaporador (Te) 10ºC Pressão do ondensador (P*) 0,1377 MPa Temperatura do ondensador (T*) 40ºC A tabela 3 mostra os resultados da apliação às equações de iteração proposto na literatura. Tabela 3. Parâmetros de simulação de ejetor para o diâmetro da garganta φ t = 1,0mm Variável Fluxo de massa do fluido seundário ( m& ) Fluxo de massa do fluido primário ( m& ) p s Valor 0,39g/s 1,68g/s Temperatura orrespondente para o fluxo máximo de massa do fluido seundário (T y ) - o C Temperatura orrespondente para o fluxo máximo de massa do fluido primário (T*) 71 o C Fluxo de massa por unidade de área através da garganta do boal do fluido primário 135,74kg/s.m Fluxo de massa por unidade de área através da garganta hipotétia do fluido seundário 179,91kg/s.m Calor latente de vaporização no evaporador (10 o C) 33,07 kj/kg Calor latente de vaporização no gerador (90 o C) 191,33 kj/kg Razão entre a área da âmara de mistura e a área da garganta do boal A 3 /A t 6,1 Razão entre a garganta hipotétia do fluxo seundário e a área da garganta do boal A e /A t,75 Capaidade de refrigeração 0,091 kw Capaidade do gerador 0,310 kw Para o sistema proposto, a apaidade do evaporador é de 91W, e onseqüentemente, para um alor latente de vaporização do R141b a 10ºC de h = 33,07 kj/kg, tem-se um fluxo de fluido seundário através do evaporador de 0,39g/s e um fluxo prinipal de 1,68g/s. Com o oefiiente de arraste alulado, ω = 0,3, sendo esperado um COP = 0,9. A Fig. 3 mostra o ejetor fabriado em latão: (1) o boal primário, entrada do fluxo vindo do gerador; () o orpo do ejetor om âmara de mistura e difusor divergente; (3) onexão de saída para o ondensador; (4) onexão de entrada do fluxo seundário do evaporador. Fig 3 Componentes do ejetor fabriado em latão

7 4 CONCLUSÕES Após o projeto, manufatura e simulação do funionamento do ejetor para o sistema de refrigeração proposto, hegou-se as seguintes onlusões: a) O programa desenvolvido para o dimensionamento do ejetor é uma ferramenta útil e pode ser failmente apliada a outros refrigerantes; b) O projeto modular do ejetor pode operar o dispositivo de refrigeração om outros refrigerantes pela simples troa de omponentes; ) Nas simulações do sistema de refrigeração proposto, o ejetor operando om R141b apresentou desempenho satisfatório; d) Os resultados da simulação mostram que o ilo de refrigeração proposto, pode operar om fontes de baixas temperaturas (oletor solar, regeneração dos gases de exaustão de sistemas de geração de potênia ou alor rejeitado de proessos industriais). REFERÊNCIAS ALEXIS, G.K., KATSANIS, J.S. Performane harateristis of a methanol ejetor refrigeration unit. Energy Conversion and Management, 45, 004, AL-KHALIDY, N. An experimental study of an ejetor yle refrigeration mahine operating on R113. International Journal of Refrigeration 1, 1998, APHORNRATANA, S., EAMES, I.W. A small apaity steam-ejetor refrigerator: experimental investigation of a system using ejetor with movable primary zone. International Journal of Refrigeration 0, 1997, CIZUNGU, K., MANI, A., GROLL, M. Performane omparison of vapour jet refrigeration system with environment friendly working fluids. Applied Thermal Engineering 1, CHUNNANOND, K., APHORNRATANA, S. Ejetors: appliations in refrigeration tehnology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 8, 004, DORANTÉS, R., LALLEMAND, A. Influene de la nature des fluides, purs ou en mélanges non-azéotropiques, sur les performanes d une mahine de limatisation à éjetoompresseur. International Journal of Refrigeration 18, 1995, Number 1. HUANG, B.J., CHANG, J.M., WANG, C.P., PETRENKO, V.A. A 1-D analysis of ejetor performane. International Journal of Refrigeration, 1999, HUANG, B.J., CHANG, J.M. Empirial orrelation for ejetor design. International Journal of Refrigeration, 1999, SELVARAJU, A., MANI, A. Analysis of an ejetor with environment friendly refrigerants. Applied Thermal Engineering 4, 006, SUN, D.W. Comparative study of the performane of an ejetor refrigeration yle operating with various refrigerants. Energy Conversion an Management 40, 1999, YAPICI, R. Experimental investigation of performane of vapor ejetor refrigeration system using refrigerant R13. Energy Conversion and Management 49, 008, AGRADECIMENTOS Agradeemos o apoio do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Meânia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (PPGEM/UFRN), ao Instituto Federal da Bahia (IFBa) e a Coordenação de Apoio e Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).