SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR JATO-COMPRESSÃO DE VAPOR DE BAIXO CUSTO E DE PEQUENO PORTE, INTERMITENTE

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1 VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA VI NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING 18 a 21 de agosto de 2010 Campina Grande Paraíba - Brasil August 18 21, 2010 Campina Grande Paraíba Brazil SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR JATO-COMPRESSÃO DE VAPOR DE BAIXO CUSTO E DE PEQUENO PORTE, INTERMITENTE Luiz Carlos Pereira Vargas, vargas@ifba.edu.br 1 Cleiton Rubens Formiga Barbosa, leiton@ufrnet.br 2 Franiso de Assis de Oliveira Fontes, franisofontes@uol.om.br 3 1 Instituto Federal da Bahia, IFBA, Rua Emídio dos Santos, s/n - Barbalho - Salvador - Bahia. CEP: , 2 Universidade Federal do Rio Grande do Norte, PPGEM Centro de Tenologia CEP Natal - RN, 3Universidade Federal do Rio Grande do Norte, PPGEM Centro de Tenologia CEP Natal RN. Resumo: A utilização do alor residual, rejeito térmios, de equipamentos de onversão de energia para produzir frio, é uma forma muito interessante de melhoria da efiiênia dos sistemas energétios. A presente pesquisa destina se a montar um equipamento de refrigeração por jato ompressão de vapor (ejetor) de baixo usto e pequeno porte para verifiação experimental das araterístias deste sistema de refrigeração om uso de fonte de uma alor. Iniialmente, foi realizado um levantamento bibliográfio sobre a tenologia de sistemas de refrigeração por jatoompressão. Na fase seguinte investigou-se a onepção do prinipal elemento da proposta de sistema de refrigeração, o ejetor. A metodologia empíria utilizada no álulo de ejetor está disponível na literatura. Com o auxílio do software EES (Engineering Equation Solver) foram realizados estudos (simulações) para diferentes fluidos refrigerantes sintétios. O fluido R141b apresentou as propriedades termodinâmias e de transporte neessários para o funionamento efiaz do sistema proposto. Com base nos resultados da simulação foi seleionado o fluido refrigerante e desenvolvida uma banada experimental do sistema de refrigeração proposto, onde sensores de pressão e temperatura foram inseridos em pontos estratégios do protótipo de refrigeração e onetados a um sistema de aquisição de dados omputadorizado para medição das propriedades do fluido refrigerante no ilo termodinâmio. Os resultados obtidos revelam boa onordânia om aqueles enontrados na literatura. Palavras-have: ejetor, rejeitos térmios, refrigeração por ejetor, ilo de refrigeração intermitente. 1. INTRODUÇÃO A refrigeração desempenha um papel importante na vida moderna, om os merados espeiais para o transporte e onservação de alimentos refrigerados ou ongelados, na preservação de mediamentos e no ondiionamento de ar para onforto térmio. Pode-se dizer que a importânia da refrigeração é vital para a vida nas idades, onde é muito grande a onentração de pessoas, onsiderando que os alimentos são originados no ampo e imediatamente após a sua olheita das diversas ulturas, esses devem ser refrigerados para transporte e armazenamento de: frutas; flores; legumes; leite e arne. É importante também para: o omério de alimentos fresos, peixes; bebidas geladas; para os hospitais, na onservação de sangue, mediamentos e vainas. Há um resimento ontinuo na demanda de equipamentos na área dos alimentos, segundo Coulomb (2008) representava 1 bilhão de equipamentos de refrigeração doméstia em todo o mundo, valor este que dobrou deorrido 12 anos. A maioria dos equipamentos utilizados em refrigeração é baseada na ompressão e expansão de um refrigerante. Devido a boa efiiênia e failidade de utilização, os loro-fluor-arbonos (CFCs) foram os fluidos refrigerantes mais utilizados até a déada de 1980, mas essa utilização estava heia de problemas ambientais. Os CFCs estavam ausando depleção da amada de ozônio e o aqueimento global (gases do efeito estufa) onde a ontenção e reuperação após o uso não estavam sendo feitos orretamente. Alem disso oorrem vazamentos de refrigerante de até 15% ao ano em instalações de refrigeração omerial Coulomb (2008). A substituição dos CFCs por outros refrigerantes e o desenvolvimento de novos sistemas e otimização dos sistemas existentes é uma neessidade. Estes outros refrigerantes inluem hidro-fluor-arbonos (HFC), que apenas têm um impato do aqueimento global, e refrigerantes naturais (amônia, CO 2, hidroarbonetos), om insignifiante ou nenhum impato sobre o aqueimento global. Outras tenologias de refrigeração existentes inluem refrigeração magnétia, absorção/adsorção, refrigeração solar por ejetor e também otimização das tenologias atuais om o uso de ilos híbridos, ombinados e de ogeração.

2 Nos proessos de ombustão, para transformar a energia térmia em energia meânia, uma parte signifiativa da energia é desperdiçada omo resíduo ao meio ambiente. Este alor rejeitado pode ser utilizado em sistemas de refrigeração por absorção, adsorção ou por ejetor, sendo este proesso hamado de ogeração ou também em ilos ombinados, aproveitando-se esta energia para produzir trabalho meânio. 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) para o ilo, em omparação om os sistemas de absorção. A refrigeração por absorção já está sendo utilizado no merado em sistemas de ogeração. Um sistema de refrigeração 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 do 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. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento do projeto de um sistema de refrigeração por jato-ompressão de vapor. Para a análise em questão, foram 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 A e /A t, 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. 2. SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR JATO COMPRESSÃO O sistema de refrigeração por ejetor é omposto por um vaso gerador, dois troadores de alor, um omo ondensador e o outro omo evaporador, um ejetor e uma bomba. Figura 1a. Sistema de refrigeração onvenional om ejetor. Figura 2b. Diagrama do ejetor. O gerador entrega alor ao fluido de aionamento (refrigerante), que é evaporado em pressão alta. O vapor gerado é levado ao boal supersônio do ejetor onde a energia térmia do vapor é transformada em energia inétia, atingindo veloidade supersônia. A energia inétia do fluxo primário faz a ompressão do vapor existente no evaporador, fluxo seundário, omprimindo-o, misturando-se a este na âmara de mistura. O fluxo misturado sai da âmara de mistura em veloidade subsônia e entra no difusor do ejetor, para aumentar sua pressão. O fluxo misturado que sai do ejetor e é onduzido ao ondensador, onde o vapor é ondensado à fase líquida. O liquido ondensado é divido em dois fluxos, um alimenta o evaporador através de um dispositivo de expansão, que introduz uma perda de arga neste fluxo, possibilitando a pressão baixa do evaporador, o outro fluxo vai para a sução da bomba que eleva a pressão do refrigerante à pressão do gerador. Este ilo de refrigeração é semelhante ao ilo de refrigeração por ompressão de vapor, há diferença na maneira omo o fluido refrigerante é omprimido, que neste aso é feito pelo ejetor, daí este ilo ser onheido por ilo de refrigeração por jato ompressão de vapor. A efiiênia desse ilo depende prinipalmente da disponibilidade de uma fonte gratuita de alor solar ou de aproveitamento de rejeitos de alor Modo de funionamento do ejetor No funionamento do ejetor oorrem dois fenômenos de bloqueio (hoque) Huang et al (1999): um no fluxo primário após sair do boal e o outro no fluxo seundário, fluxo arrastado. O segundo bloqueio do ejetor resulta da aeleração do fluxo arrastado de um estado de estagnação da entrada da sução até um fluxo supersônio na seção da área onstante. A Figura 2 mostra a variação da relação de arraste ω om a P C da desarga ou da pressão de saída a uma

3 pressão fixa de sução Pe e a um fluxo de pressão primária fixa P g. O desempenho do ejetor pode então ser dividido em três modalidades operaionais, de aordo om a da pressão de saída P : * 1- O duplo bloqueio ou modalidade rítia om o P P, quando o fluxo primário e arrastado, são ambos bloqueados e a relação de arraste é onstante, isto é, ω = onstante; 2- Choque simples ou modalidade subrítia * P < P < P, quando só o fluxo primário sofre hoque e ω muda o om a pressão de saída; e 3- Fluxo reverso ou modalidade de mau funionamento P Po, quando ambos o fluxo primário e o fluxo seundário não sofrem hoque e o fluxo arrastado é reverso (mau funionamento), isto é, ω 0. O ejetor tem melhor desempenho na modalidade rítia para se obter um melhor desempenho. Figura 2. Modo de operação do ejetor Desempenho de um refrigerador por jato ompressão O desempenho de um refrigerador por jato ompressão é fortemente dependente do funionamento do ejetor, assim o arraste do fluxo seundário e a geometria do ejetor são fatores importantes. Um aumento da pressão a jusante do ejetor ausa uma redução da taxa de arraste e onseqüentemente uma redução da efiiênia. A urva de desempenho típia é apresentada na Figura 3, onde vemos que tanto a redução da temperatura de evaporação e o aumento da temperatura de geração, reduzem a efiiênia. Figura 3 Influênia das temperaturas Te e Tg no desempenho de um refrigerador por jato ompressão Boumaraf e Lallemand, (2009) desreveram um programa de simulação útil para avaliar o desempenho e as araterístias do ilo de funionamento de um ejetor de refrigeração do sistema om o fluido de trabalho, R142b e R600a, araterizando o ilo pelas temperaturas das três fontes térmias, temperatura do gerador, temperatura do ondensador e temperatura de evaporador e os respetivos oefiientes loais de transferênia de alor. O programa de simulação inluiu uma orrelação entre a relação de arrastamento ejetor estabeleido em diferentes ondições de operação no ponto rítio a partir das equações de onservação do modelo unidimensional. Conluiu que para uma temperatura da fonte fria fixa, a temperatura intermediária, de ondensação, orrespondente ao modo rítio om

4 * P C < P C, o COP do sistema diminui quando a temperatura da fonte quente (gerador) é maior do que a temperatura do projeto de dimensionamento do ejetor. Considerando isso reomendou que o dimensionamento dos omponentes do sistema fosse feito na maior temperatura de geração possível, de modo a garantir um melhor desempenho, no aso de uma operação a baixa temperatura da fonte quente. Constatou que o sistema om R142b teve um melhor desempenho em todos os asos, expliado pelo fato que o R142b ter o seu peso moleular quase duas vezes maior do que o do R600a. Huang et al. (1999) fizeram, através de uma análise de um modelo de fluxo do ejetor unidimensional (1-D), uma previsão do desempenho de um ejetor, operando em modo rítio, supondo que a mistura dos fluxos primários e seundários oorre na âmara de mistura do ejetor a pressão onstante dentro da seção de área onstante. Os ensaios são realizados em 11 ejetores, utilizando o R141b omo fluido de trabalho, para verifiar os resultados analítios. Os resultados da análise, ombinando os dados de teste om os resultados analítios, são usados para determinar os oefiientes ηp, ηs, φp, e φm, definidos no modelo 1-D omo: efiiênia adiabátia no boal primário; efiiênia adiabátia no fluxo seundário; perda por atrito do fluxo primário e perda por atrito na âmara de mistura antes do hoque, respetivamente. Mostra-se que a análise 1-D usando oefiientes empírios pode prever exatamente o desempenho dos ejetores. Huang e Chang (1999) desenvolveram duas orrelações empírias para prever o desempenho de ejetores a partir dos resultados de testes de desempenho de 15 ejetores, utilizando R141b omo fluido de trabalho. Estas orrelações são utilizadas para prever o desempenho de ejetores a partir dos parâmetros geométrios de projeto do ejetor e as relações de pressão entre a pressão de geração e de evaporação e entre as pressões de ondensação, hamada de rítia e a de evaporação. Também é feita uma previsão da taxa de arraste do fluxo seundário pelo primário, o que sai do evaporador e o que sai do gerador de vapor, respetivamente, dentro da margem de erro de 10%. É mostrado nesse estudo que o R141b é um bom fluido de trabalho para um sistema om ejetor e propõe a utilização desse método para o projeto do ejetor desses sistemas de refrigeração. Este método permite estimar o desempenho do ejetor através do álulo da razão de fluxos de massa ω omo função da razão entre a área efetiva (na garganta hipotétia) do fluxo seundário e a área de garganta do boal, A e /A t, do parâmetro geométrio de projeto do ejetor A 3 /A t, e das pressões P g, P e e P C *. Este método é detalhado no projeto do ejetor, item 3.3. Yapii (2008) apresentou um novo projeto de ejetor baseado em um modelo om âmara de mistura de área onstante, a fim de investigar o desempenho de um sistema de refrigeração por jato ompressão em uma ampla gama de variáveis de funionamento. Um ejetor, om boal primário móvel, foi montado sobre o sistema que foi previamente onstruído para refrigerantes de baixa pressão. O sistema de refrigeração modifiado e foi testado om água quente e usado omo fluido de trabalho o R123. Os efeitos da temperatura de operação sobre a apaidade térmia e do oefiiente de desempenho do sistema foram investigadas experimentalmente quando a posição do boal primário foi otimizada utilizando razão de área do ejetor de 9,97 (relação entre a área da âmara de mistura e a área da garganta do boal super-sônio). Como resultado, um desempenho oefiiente de 0,39 foi obtido na temperatura de gerador de vapor de 98ºC, a temperatura do evaporador 10 C e pressão rítia do ondensador 129 kpa. Os ejetores projetados para estes sistemas de refrigeração são baseados na teoria e nos dados experimentais, se disponíveis para os parâmetros de operação, mas as efiiênias atribuídas no projeto nem sempre estão de aordo om as efiiênias reais, assim os resultados, as ondições reais de operação e de desempenho dos sistemas devem ser determinadas experimentalmente. Sriveerakul, Aphornratana e Chunnanond, parte 2, (2007) fazendo um estudo CFD (Dinâmia dos Fluidos Computaional), utilizando o software de simulação (FLUENT), mostraram a omplexidade do fluxo e do proesso de mistura de um ejetor de vapor utilizado em um ilo de refrigeração a jato. Este estudo já tinha sido validado em estudo anterior, Sriveerakul, Aphornratana e Chunnanond, parte 1, (2007), na omparação dos dados obtidos em simulação omputaional om dados experimentais. Eles obtiveram urvas de pressão estátia na linha de entro do ejetor e uma visualização gráfia dos fluxos envolvidos om seus perfis de veloidades. Mostraram as mudanças estruturais dos fluxos e seus omportamentos dentro das âmaras do ejetor e a suas influênias na performane de funionamento do ejetor. Conluíram que a CFD é uma boa ferramenta para a previsão do desempenho do ejetor, da razão de arraste e da ontrapressão rítia. Ela também fornee uma boa expliação e visualização da estrutura de fluxo no ejetor. Usando as informações obtidas no CFD leva ao desenvolvimento do projeto do ejetor de alta performane. 3. MODELAGEM A onfiguração do sistema de refrigeração estudado é o ilo intermitente por jato-ompressão de vapor, que é mostrado na Fig. 1b. O sistema 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 da qual o alor total do sistema é desartado; um evaporador, onde o frio é produzido; um tubo apilar, que introduz uma perda de arga; um aumulador e três válvulas solenóides. O aumulador e três válvulas solenóides substituem a bomba que aiona o sistema onvenional (Fig 1a) de jato-ompressão de vapor para produção de frio, transformando-o em um sistema de trabalho intermitente. Este sistema de refrigeração tem duas fases de operação: I. Fase de produção de frio O sistema trabalha om as válvulas solenóides (VSA) e (VSC) fehadas a válvula solenóide (VSB) aberta. O alor, que entra no sistema é forneido para o gerador, que gera vapor a

5 alta pressão, que é liberado após ser atingida a pressão de operação, quando da abertura da válvula solenóide (VSD). O vapor ao passar pelo ejetor e arrasta vapor do evaporador, reduzindo sua pressão e baixando sua temperatura produzindo o frio. Os vapores são misturados no ejetor e onduzidos ao ondensador, onde será liquefeito, desartando o alor do sistema. Parte deste ondensado vai para o evaporador através do dispositivo de expansão (tubo apilar) e a outra parte é armazenada no aumulador. II. Fase de rearga de refrigerante - As válvulas solenóide (VSA) e (VSC) são abertas e as válvulas solenóides (VSB e VSD) são fehadas. O fluido de trabalho do vaso aumulador é transferido para o gerador, ompletando o ilo intermitente. Figura 3 - Diagrama do sistema de refrigeração intermitente por jato-ompressão de vapor 3.2. 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 (2004) 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 efiiênia do ejetor. A Tabela 1 mostra os refrigerantes pré-seleionados para a operação e suas respetivas araterístias. Tabela 1. Refrigerantes para refrigeração om ejetor. Chunnanond an Aphornratana (2004) Caraterístias R11 R12 R113 R123 R141b R134a R718b (Água) Ponto de evaporação (ºC) a 1atm 23,7 29,8 47,6 27,9 32,1 26,1 100 Pressão (kpa) at 100oC Massa moleular (kg/kmol) 137,38 120,92 187,39 152,93 116,9 102,03 18,02 Calor latente a 10ºC 186,3 147,6 155,3 176,8 129,4 190, GWP ,4 0,02 0,15 0,26 0 ODP 2 1 0,9 0,8 0, ,02 0 Vapor seo ou úmido Úmido Úmido Seo Seo Seo Úmido Úmido 1 (Global warming potential); 2 (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, 2004). A seleção final limitou-se aos fluidos: R123 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.

6 (1999), Huang e Chang (1999) e Chunnanond e Aphornratana (2004). Vários outros refrigerantes foram utilizados no sistema de refrigeração de jato de vapor. Sankarlal e Mani (2007) utilizou a amônia (R717) de forma satisfatória. Selvaraju e Mani (2004) fez uma análise omparativa do desempenho do ejetor operando om R134a, R152a, R290, 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 (2004) propuseram metanol para o sistema de refrigeração por jato de vapor. Sun (1999) omparou o desempenho dos refrigerantes: R718, R11, R12, R13, R21, R123, R142b, R134a, R152a, RC318 e R500. A autora onluiu que, para CFC's, o R12 apresenta melhor desempenho, para os HCFC, o R142b tem o melhor COP; os HFC testados possuem desempenho semelhante, om o R152a dando o melhor desempenho entre todos os outros refrigerantes. Utilizando os HFC, que não ausam redução do ozônio, também produz-se benefíios ambientais suplementares Projeto do ejetor O ejetor é o elemento have do sistema de refrigeração de jato-ompressão de vapor, sendo 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 apud Chunnanong e Aphornratana, 2004 e (Chen e Sun 1977). 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); no modo subrítios enquanto apenas o fluxo é primário é bloqueado, e no 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 jato-ompressão 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 Po é a ondição limite de pressão de ondensação do ejetor no modo operaional. Neste trabalho usou P = P *, omo o melhor desempenho é obtido om o modo rítio. No método de dimensionamento do ejetor foi assumido que a mistura dos dois fluxos (primário e seundário), oorre em uma área efetiva Ae na âmara de mistura de volume onstante e om base na orrelação empíria proposta por Huang e Chang (1999). O desempenho é estimado pelo álulo do quoiente entre o fluxo primário e o fluxo seundário (ω), alulado em função das relações entre a área efetiva (garganta hipotétia), do fluxo seundário (Ae) e da garganta do boal (At), do parâmetro de projeto geométrio do 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 2 mostra um modelo esquemátio das regiões e suas dimensões araterístias. Figura 02. Diagrama esquemátio do modelo do ejetor, regiões e dimensões. Huang e Chang (1999) Correlações empírias do ejetor O dimensionamento do ejetor para operar om R141b, foi utilizado o método empírio proposto por Huang e Chang (1999). As dimensões araterístias, apresentadas na Fig. 2, são determinadas om bases nas seguintes equações: 2 Ae 3 A 3 A = 0, , 4362 (1) At At At A = b0 + b1r + b2r + b3rg + b4r rg + b5r rg + b6rg + b7r rg + b8r r (2) g A t

7 * Onde: P P r = g ; r = ; b0 = 5,4497; b1 = 6,7759; b2 = 1,4952; b3 = 2,3116; P g P e e b 4 = 0,590; b5 = 0,018105; b6 = 0,03786; b7 = 0,012983; b8 = 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 (2) 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 2, são apresentados os dados de entrada do proesso iterativo. Tabela 2 - Variáveis operaionais do sistema de refrigeração por jato-ompressão Variáveis de entrada Valor Pressão do gerador (P g ) 0,53767 MPa Temperatura do gerador (T g ) 90 o C Pressão do evaporador (P e ) 0, MPa Temperatura do evaporador (T e ) 10 o C Pressão do ondensador (P *) 0,13277 MPa Temperatura do ondensador (T *) 40 o C Tabela 3. Parâmetros de simulação de ejetor para o diâmetro da garganta φt = 1,0mm Variável Valor Fluxo de massa do fluido seundário ( 0,39 g/s Fluxo de massa do fluido primário ( m& ) p s m& ) 1,68 g/s Temperatura orrespondente para o fluxo máximo de massa do fluido seundário (T y ) -2 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 2135,74 kg/s.m 2 Fluxo de massa por unidade de área através da garganta hipotétia do fluido 179,91 kg/s.m 2 seundário Calor latente de vaporização no evaporador (10 o C) 233,07 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 6,21 Razão entre a garganta hipotétia do fluxo seundário e a área da garganta do boal 2,75 A e /A t Capaidade de refrigeração 0,091 kw Capaidade do gerador 0,310 kw No sistema proposto, a apaidade do evaporador é de 91 W, e onseqüentemente, para um alor latente de vaporização do R141b a 10ºC de h = 233,07 kj/kg, tem-se um fluxo de fluido seundário através do evaporador de 0,39 g/s. O oefiiente de arraste alulado, ω = 0,232 e é esperado um COP = 0,292. Figura 03 Ejetor fabriado em latão A Figura 3 mostra o ejetor fabriado em latão (usto de R$ 160,00): (1) o boal primário, entrada do fluxo vindo do gerador; (2) o orpo do ejetor om âmara de mistura e difusor divergente; (3) onexão de saída para o ondensador (foi modifiado para o diâmetro de saída de 10 mm); (4) onexão de entrada do fluxo seundário do evaporador.

8 3.1. Montagem do equipamento O sistema de refrigeração por jato-ompressão de vapor foi montado em uma base (skid) já existente na UFRN e adaptado para reeber os equipamentos, aessórios, dispositivos de medição e ontrole, onforme figuras 4. O ondensador, om tubos aletados, tipo ompato, foi adquirido no omério de reilagem ao usto de R$80,00 visto que o ondensador de geladeira utilizado anteriormente apresentou uma perda de arga elevada, prejudiando o rendimento do ejetor. O evaporador foi onstruído de a partir de uma serpentina de um gela água e um isopor para onservar latas de bebidas geladas. As três válvulas solenóides foram adquiridas por R$ 162,00 ada uma, mas podem ser substituídas por válvulas manuais, om as que foram oloadas nas linhas de equalização e de drenagem (Figura 4). As tubulações e onexões de obre foram adquiridas por R$198,80, e os vasos, gerador e aumulador, ao usto de R$160,00, utilizando-se suata de tubo e hapa de aço inoxidável. Os sistemas de medição e ontrole já eram disponíveis no Laboratório de Energia da UFRN. O evaporador foi montado om serpentina evaporadora de um gela água e um isopor de onservação de frio de bebidas, ao usto de R$30,00. O usto total de material fiou em torno de R$976,00 Figura 4 Vista frontal e traseira do equipamento montado 4. RESULTADOS Em todos os ensaios realizados, foi alulado o COP do sistema, onsiderando-se somente a fase de produção do frio, ou seja, foi desonsiderada a energia gasta na fase de aqueimento do sistema, regime transiente. Foi onsiderada para o álulo do COP a energia troada no período de tempo deorrido entre a abertura das válvulas de liberação do vapor do gerador e a estabilização do esfriamento da água no evaporador, período de produção do frio, Figura 5. O término da fase de geração de vapor foi determinado pela queda da temperatura de entrada do ondensador, que é onseqüênia da redução da vazão do vapor e da redução da fase de líquido no gerador. A estabilização da temperatura no evaporador em razão da queda de pressão no gerador. Figura 5 Registro de temperaturas, ensaio típio. A massa de água no evaporador em todos os ensaio foi de 2,0 kg e o alor espeífio da água utilizado nos álulo foi de 4,183 kj/kg.

9 4.2. Resultado dos ensaios No gráfio a seguir são registrados os dados dos ensaios realizados Figura 07 Gráfio dos ensaios realizados, sem os de resultados inexpressíveis. Observa-se que os resultados estão aquém dos obtidos pelos por Huang e Chang (1999), o COP alulado para o dimensionamento utilizado neste trabalho seria de 0,296, sendo que o melhor resultado obtido do COP foi de 0,221, que é 25% abaixo do esperado. Pode ter ontribuído para este desvio o pequeno porte do equipamento onstruído a rugosidade espeífia na superfíie interna do ejetor, omo onseqüente aumento do oefiiente de atrito, o que seria minimizado em equipamentos de maior porte. Outra expliação e seria a difiuldade de usinagem, aabamento e onordânia das superfíies internas do ejetor bem omo a usinagem dos ângulos de onvergênia e divergênia na superfíie interna do ejetor, que também pode ter ontribuído om a disrepânia entre a temperatura de projeto do jetor e 90ºC e a temperatura de 90ºC em que se obteve o maior COP. O sistema é muito sensível a temperatura de ondensação, e omo o ondensador, tipo ompato, foi adaptado, ele mostrou-se sub-dimensionado para a arga térmia do sistema, foi neessário insuflar água na serpentina, transformando-o em ondensador evaporativo, para se obter um bom desempenho. 5. CONCLUSÕES O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento do projeto de um sistema de refrigeração por jato-ompressão de vapor, e a verifiação do oefiiente de performane (COP). Para atingir esta meta foi montado o sistema desrito. Os resultados da simulação e projeto do ejetor de um sistema de refrigeração por jato ompressão de vapor nos fornee 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) Em um projeto modular do ejetor pode-se operar o dispositivo de refrigeração om outros refrigerantes pela simples troa de omponentes; ) O ejetor, trabalhando om R141b, respondeu satisfatoriamente nas simulações do sistema de refrigeração proposto; d) Os resultados das simulações mostram que o ilo de refrigeração proposto, pode operar om fontes de baixa temperatura (oletor solar, regeneração dos gases de exaustão de sistemas de geração de potênia ou alor rejeitado de proessos industriais). 6. 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).

10 7. REFERÊNCIAS Alexis, G.K., Katsanis, J.S., Performane harateristis of a methanol ejetor refrigeration unit. Energy Conversion and Management 45, (2004), 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 20, (1997), Boumaraf, L., Lallemand, A., Review on solar-driven ejetor refrigeration tehnologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, (2009), Coulomb D., Refrigeration and old hain serving the global food industry and reating a better future: two key IIR hallenges for improved health and environment, Trends in Food Siene & Tehnology 19 (2008) Chunnanond, K., Aphornratana, S., Ejetors: appliations in refrigeration tehnology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 8, (2004), Huang, B.J., Chang, J.M., Wang, C.P., Petrenko, V.A., A 1-D analysis of ejetor performane. International Journal of Refrigeration 22, (1999), Huang, B.J., Chang, J.M., Empirial orrelation for ejetor design. International Journal of Refrigeration 22, (1999), Sun, D.W., Comparative study of the performane of an ejetor refrigeration yle operating with various refrigerants. Energy Conversion an Management 40, (1999), Selvaraju, A., Mani, A., Analysis of an ejetor with environment friendly refrigerants. Applied Thermal Engineering 24, (2006), Sankarlal T., Mani A., Experimental investigations on ejetor refrigeration system with ammonia. Renewable Energy 32,(2007), Sriveerakul T., Aphornratana S., Chunnanond K., Performane predition of steam ejetor using omputational fluid dynamis: Part 1. Validation of the CFD results. International Journal of Thermal Sienes 46, (2007), Sriveerakul T., Aphornratana S., Chunnanond K., Performane predition of steam ejetor using omputational fluid dynamis: Part 2. Flow struture of a steam ejetor influened by operating pressures and geometries. International Journal of Thermal Sienes 46, (2007), DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únios responsáveis pelo onteúdo do material impresso inluídos no seu trabalho. SMALL AND LOW COST REFRIGERATION SYSTEM WITH JET OF VAPOR COMPRESSION, INTERMITTENT Luiz Carlos Pereira Vargas, Instituto Federal da Bahia, IFBA Cleiton Rubens Formiga Barbosa, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN. Franiso de Assis de Oliveira Fontes, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN. ABSTRACT: The use of waste heat rejet thermal equipment onversion of energy to produe old is a very interesting way of improving the effiieny of energy systems. This researh aims to build a vapor jet ompression refrigeration equipment (ejetor) low ost and small size for experimental verifiation of the harateristis of the ooling system with use of a heat soure. Initially, we performed a literature review on the tehnology of refrigeration by jet-ompression. In the following we investigate the design of the main element of the proposed ooling system, the ejetor. The empirial methodology used in alulating the ejetor is available in the literature. With the help of the software EES (Engineering Equation Solver) were studied (simulations) for different syntheti refrigerants. The fluid R141b presented the thermodynami properties and transport neessary for the effetive operation of the proposed system. Based on the results of the simulation was seleted refrigerant and developed a benh trial of the proposed ooling system, where pressure sensors and temperature were plaed at strategi points of the prototype ooling and onneted to a system of omputerized data aquisition for measuring properties of the refrigerant in the thermodynami yle. The results show good agreement with those found in the literature. Keywords: ejetor, waste heat, ooling ejetor, refrigeration yle intermittent. The authors are the only responsible for the printed material inluded in this paper.