ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE COLETOR ADSORTIVO

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1 Universidade Federal da Paraíba Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - Mestrado - Doutorado - ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE COLETOR ADSORTIVO Por Herbert Melo Vieira Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade Federal da Paraíba Para obtenção do grau de Mestre. João Pessoa Paraíba Fevereiro, 009

2 Herbert Melo Vieira ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE COLETOR ADSORTIVO Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de Pós Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal da Paraíba, em cumprimento às exigências para a obtenção do Grau de Mestre. Orientador: Professor José Maurício Alves de Matos Gurgel João Pessoa Paraíba 009

3 V657e Vieira, Herbert Melo. Estudo teórico e experimental de coletor adsortivo / Herbert Melo Vieira. - - João Pessoa: [s.n.], f. Orientador: José Maurício Alves de Matos Gurgel. Dissertação (Mestrado) UFPB/CT. 1.Engenharia Mecânica..Refrigeração 3.Radiação solar. 4. Adsorção. 5. Sílica gel. UFPB/BC CDU:61(043)

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5 Dedicatória Aos meus pais Cirilo Vieira Filho e Maria do Socorro Melo Vieira, a minha irmã Hérica Melo Vieira e a minha grande companheira Carla Silva de Lima.

6 AGRADECIMENTOS Aos meus pais Círilo Vieira Filho e Maria do Socorro Melo Vieira pelo incentivo e apoio, a minha irmã Hérica Melo Vieira e em especial à Carla Silva de Lima. Ao Prof. JOSÉ MAURÍCIO GURGEL, pela orientação e os ensinamentos ministrados e, sobretudo, pela amizade e estímulo às minhas atividades acadêmicas. Aos alunos Cícero Herbert, Raimundo Maria, Joselma Araújo, Márcio, Márcia, Agda, Suerda, pela amizade e apoio. A todos os professores e funcionários do Laboratório de Energia Solar (LES), pelo apoio dispensado.

7 ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE COLETOR ADSORTIVO RESUMO O presente trabalho apresenta alternativas viáveis e simples que venham contribuir para melhorar o desempenho de um sistema de refrigeração por adsorção, que utiliza a energia solar como fonte de calor para promover a elevação da temperatura do poroso, ocorrendo assim, o processo de dessorção, que é a separação do adsorbato do adsorvente. Os estudos feitos constituíram na modificação da geometria da placa absorvedora de tubular para triangular, o que ocasionou um aumento na área de contanto entre a placa e o adsorvente, que foram analisadas através de um programa computacional que simula o ciclo de um sistema de refrigeração por adsorção. Outro estudo proposto é a retirada de uma tela concêntrica, que tem como finalidade promover o fluxo radial do adsorbato durante os processos de adsorção/dessorção, a retirada desta tela tem como objetivo verificar se com a modificação do fluxo do adsorbato de radial para axial a um aumento na concentração de adsorbato no poroso e se ocorre o fenômeno adsortivo ao longo de toda coluna, possibilitando assim, um processo construtivo do coletor plano tubular mais simples, esta etapa do trabalho, é apresentada através de resultados experimentais, verificando a concentração e temperatura em duas colunas adsortivas durante o período de adsorção. Palavras-chaves Refrigeração, Radiação solar, Adsorção, Sílica gel.

8 THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF COLLECTOR ADSORPTIVE ABSTRACT This paper presents simple and feasible alternatives that will help improve the performance of a refrigeration system by adsorption, which uses solar energy as a heat source to promote the raising of the temperature of the porous bed, thus occurring, the process of desorption, which is the separation of the adsorbent adsorbato. The studies were made in the modification of the geometry of the absorber plate for triangular tube, which caused an increase in the area provided between the plate and the adsorbent, which were analyzed by a computer program that simulates the cycle of a refrigeration system by adsorption. Another study proposed is the removal of a concentric screen, which aims to promote the flow of radial adsorbato during the processes of sorption, the withdrawal of this screen aims to verify whether the change in the flow of adsorbato of radial to the axial an increase in the concentration of adsorbato the porous bed and if the phenomenon occurs throughout the entire adsorptive column, thus enabling a constructive process of collecting tubular simple plan, this phase of work, is shown through experimental results, verifying the concentration and temperature in two adsorptive columns during the adsorption. Keywords Refrigeration, Solar radiation, Adsorption, Silica gel

9 IX SUMÁRIO INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO OBJETIVOS DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA FONTES DE ENERGIA ENERGIA E MEIO AMBIENTE ENERGIA SOLAR COLETOR SOLAR FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO TIPOS DE ADSORÇÃO CLASSIFICAÇÃO DOS POROS TERMODINÂMIDA E ISOTERMAS DE ADSORÇÃO ISORTEMA DE LANGMUIR ISORTEMA DE FREUNDLICH ISORTEMA DE BET ISORTEMA DUBININ-ASTAKHOV TIPOS DE ADSORVENTES SÍLICA GEL ZEÓLITA CARVÃO ATIVADO ALUMINA ATIVADA REFRIGERADOR SOLAR PRINCÍPIO DE FUNCIONAMETO MODELAGEM MATÉMATICA E DISCRETIZAÇÕES EQUAÇÕES USADAS NA SIMULAÇÃO

10 X 4.3 MODELO PARA O COLETOR SOLAR/REATOR PLACA ABSORVEDORA COEFICIENTE DE PERDAS FATOR DE FORMA GEOMÉTRICO FLUXO DE RADIAÇÃO SOLAR SOBRE A PLACA ABSORVEDORA TEMPERATURA EFETIVA DO CÉU MODELO PARA O LEITO POROSO MODELO PARA O CONDENSADOR MODELO PARA O EVAPORADOR ALGORITMO PARA SOLUÇÃO NUMÉRICA DO MODELO DA GELADEIRA SOLAR COLETOR SOLAR TUBULAR ALTERAÇÕES NO LEITO ADSORTIVO DO COLETOR SOLAR PLANO TUBULAR PROCEDIMENTO RESULTADOS E DISCUSSÕES RESULTADOS EXPERIMENTAIS COM O REATOR PLANO TUBULA CARACTERISTICAS DAS COLUNAS RESULTADOS DA SIMULAÇÃO MATEMÁTICA VALIDAÇÃO DO MODELO CARACTERISTICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO SOLAR FATOR DE FORMA GEOMÉTRICO RESULTADOS DA SIMULAÇÃO RADIAÇÃO SOLAR TEMPERATURA DO LEITO POROSO CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO I

11 XI LISTA DE FIGURAS Figura Isoterma de adsorção classificada por BRUNAUER et al.(1938) Figura 4.1 Esquema de um sistema de refrigeração por adsorção Figura 4. - Diagrama de Clapeyron para um ciclo ideal de adsorção/dessorção Figura Coletor solar plano triangular Figura 4.4 Coletor solar plano tubular com tubo concêntrico Figura 4.5 Vista frontal do coletor plano triangular Figura 4.6 Vista frontal do coletor plano tubular Figura 4.7 Representações das áreas hipotéticas das placas absorvedora Figura 5.1 Esquema do protótipo do reator tubular Figura 5. Controlador de temperatura d água Figura 5.3 Recipiente com adsorbato de latão Figura 5.4 Medidor de vácuo, sensor de platina, coluna adsortiva Figura 5.5 Bomba de vácuo e coluna adsortiva Figura Sensores de Platina para medir a temperatura do Figura 5.7 Balança digital e módula para aquisição de dados Figura 6.1a Curvas de distribuição de temperatura nas colunas de adsorção (8 horas) Figura 6.1b Curvas de distribuição de temperatura nas colunas de adsorção (180 min.) Figura 6.1c Curvas de distribuição de temperatura nas colunas de adsorção (90 min.) Figura 6. - Isotermas de adsorção para o vapor d água em sílica gel Figura 6.3 Tempo de inicio do registro da temperatura pelos sensores Figura Tempo de inicio do registro da temperatura pelos sensores Figura 6.5 Variação da massa de adsorbato nas colunas adsortivas Figura 6.6 Comparação entre resultado experimental e simulado Figura Placas absorvedoras/reator do sistema de refrigeração solar triangular e tubular

12 XII Figura 6.3 Fatores de forma para o coletor triangular e tubular Figura 6.9 Variação da área do coletor triangular com as dimensões base altura Figura curva representativa do fluxo de radiação Figura 6.11 Variação da temperatura no poroso Figura Energia radiante dos coletores para o céu Figura 6.13 Diagrama de Clapeyron para um ciclo de refrigeração Figura 6.14 Massa de vapor d água evaporada Figura Massa de vapor d água condensada Figura 6.16 concentração no poroso durante o ciclo

13 XIII LISTA DE TABELAS Tabela Principais diferenças entre adsorção física e adsorção química Tabela 3. - Propriedades típicas da sílica gel Tabela Resultados dos experimento realizado por F. Lemmini e A.Errougani (007) Tabela 6. - Dados para a simulação numérica Tabela Resultados comparativos entre os dois coletores Tabela A1 - Dados Meteorológicos da Cidade de João Pessoa

14 XIV NOMENCLATURA A (S) Adsorbato no interio do sólido adsorvente A adsorvido Adsorbato no interior do sólido adsorvente A coletor - Área do coletor solar (m ) A c Área do coletor (m ) A i Área inferior do coletor solar (m ) A cond.água Área entre o condensador e a água (m ) A adsorbatoafua Área de troca térmica entre o adsorbato e a água a ser resfriada (m ) Β Ângulo de inclinação do coletor solar C Capacidade térmica do C adsovente Capacidade térmica do adsorvente C adsorbat o Capacidade térmica do adsorbato c pp - Calor específico a pressão constante da placa (J/kg.K) C Comprimento do coletor (m) c padsobato Calor específico do adsorbato (J/kg) c p. Calor específico do poroso c p.cond. Calor específico do condensador (J/kg) c p.água Calor específico da água (J/kg) D É uma constante que vale Dtri. - Base do triângulo (m) Dtub. Diâmetro do tubo(m) E Energia n R E F fator Fator de Forma geométrico (adimensional) h conv.cond Coeficiente de convecção no condensador (W/m.K) h s Entalpia de sorção (J/kg) h cp Coeficiente de contato térmico entre a placa/ poroso obtido experimentalmente h v - É o coeficiente de transferência de calor do vento (W/m.K) hd Hora do dia

15 XV L iso espessura do isolamento (m) L vl Calor latente de condensação do adsorbato(j/kg) L s Calor latente de solidificação do fluido a ser resfriado (kj/kg) L Lv Calor latente de vaporização do adsorbato (kj/kg) K A Constante de velocidade de adsorção K d Constante de velocidade de dessorção k Condutividade Térmica (6, W/m.K) k iso condutividade térmica do isolamento (W/m.K) M adsorbato Massa do adsorbato no evaporador (kg) M adsorbato Massa de adsorbato (kg) M adsorvente Massa adsorvente (kg) m p massa da placa absorvedora (kg) M Massa do poroso (kg) M água Massa de água a ser resfriada (kg) M cond. Massa do condensador (kg) m adsorbato t t m cond - Variação da massa do adsorbato no evaporador (kg/s). - Variação da massa de adsorbato condensada (kg/s) n Constante da equação de Dubinin-Astakhov que depende do adsorvente utilizado (para a sílica gel n=1) N c Número de cobertura N u Número de Nusselt Ps Pressão de saturação do adsorvente a temperatura do poroso (kpa) Q Energia térmica proveniente da radiação solar (W/m ) Q s Calor de sorção (W) R Constante universal dos gases (J/kg.K) Rad solar Fluxo de radiação solar sobre a placa absorvedora (W/m ) por (GULLEMINOT J.,1987), (17,1 W/m.K) Re número de Reynolds Pr número de Prandtl (0,707) S solar fluxo de radiação de energia solar que o coletor recebe obtido pelo polinômio (W/m ) t Tempo (s)

16 XVI T Temperatura do poroso (K) T céu Temperatura do céu (K) T céu Temperatura do céu (K) T ma Temperatura média anual(k) T ov Temperatura de orvalho (K) T cond Temperatura do condensador (K) T água Temperatura da água de resfriamento (K) T adsorbato Temperatura do adsorbato (K) T adsorbato Temperatura do adsorbato (K) T água Temperatura da água (K) T p - Temperatura da placa (K) U i coeficiente de perdas pela parte inferior do coletor (W/m.K) U s - Coeficiente de perdas na parte superior do coletor (W/m. K) U T.coletor Coeficiente de perdas total no coletor solar (W/m.K) U. - Coeficiente de perdas do adsorbato para a água a ser resfriada (W/m. K) adsorbato agua U adsorbato. amb - Coeficiente de perdas do adsorbato para o ambiente (W/m. K) U s Coeficiente de troca de calor entre o gelo e o adsorbato (W/m. K) V Velocidade média do vento (3,5 m/s) W 0 - Constante da equação de Dubinin-Astakhov X Concentração no poroso (kg de adsorbato/kg de adsorvente) LETRAS GREGAS ε p Emitância da Placa absorvedora ε v Emitância do vidro ε Emissividade da placa absorvedora (0,9 adimensional) σ constante de Stefan Boltzmann (5, W/m.K) ρ (t) massa especifica do adsorbato (kg/m 3 ) τα - Produto entre a transmitância do vidro e a absorbância da placa (0,88) υ viscosidade cinemática (15, m /s)

17 CAPÍTULO I INTRODUÇÃO 1. MOTIVAÇÃO O Brasil é um país que tem uma grande incidência de radiação solar, pois grande parte do seu território estão localizados em região tropical, cuja insolação média durante o ano se situa entre 16 e 0 MJ/m /dia (Cresesb, 000), seria vantajoso utilizar a radiação solar como fonte energética. No entanto, um sistema de adsorção que utiliza exclusivamente a radiação solar apresenta os inconvenientes de depender muito das condições climáticas do período e de possibilitar apenas um ciclo de refrigeração por dia (sistema intermitente), caso o reator seja aquecido diretamente pela radiação solar, o que limita muito a produção do efeito frigorífico. O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre, tanto como fonte de calor quanto de luz, hoje sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos o esgotamento das fontes fosseis, que está previsto pelo Greenpeace, para daqui a 36 anos, conforme o seu relatório de E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas da energia do Sol. Os primeiros trabalhos experimentais dedicados à refrigeração, com sistemas adsortivos, foram realizados com Tchernev (1979) e Guilleminot et al (1980), que construíram protótipos usando o par zeolita/água. O par silica gel/água foi em seguida testado por Vodianitskaia e Klüppel (1984), Vodianitskaia (1984), Klüppel e Gurgel (1987), Gurgel (1986) e Gurgel e Klüppel (1986, 1988, 199a, 199c). Para a produção de gelo tais sistemas apresentaram dificuldades, em conseqüência da limitação física que a água impõe ao sistema, ou seja, a temperatura mínima que pode ser atingida corresponde ao ponto triplo. Para contornar este problema, outros pares frigorígenos

18 18 foram estudados sendo o carvão ativado/metanol usado com resultados promissores por Boubakri et al. (1985), Passos (1986) e Pons e Grenier (1986, 1987) dentre outros.vale ressaltar, que uma das mais promissoras possibilidades para a utilização da energia solar em sistemas de refrigeração é a adsorção sólida. A sua utilização é freqüentemente associada a aplicações relativas à desumidificação, filtragem e separação de substâncias orgânicas, sobretudo na indústria petroquímica. Nos últimos anos, tem sido observado um grande aumento nos estudos da aplicação da adsorção sólida com fins de obtenção de frio (LeVan, 1998). A adsorção é um fenômeno físico 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 adsorbato, 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. 1.1 OBJETIVOS O objetivo deste trabalho visa comparar dois tipos de placas absorvedoras/reator solares com geometrias diferentes através de um modelo matemático computacional, que simula o comportamento destas alterações feitas no ciclo de refrigeração por adsorção. Alteração essa, de tubular para triangular, que contribuí para o aumento da área de fluxo de calor entre a placa e o adsortivo e a entrada do adsorbato que será promovido por baixo de todo o poroso, e experimentalmente observar os efeitos da adsorção em um poroso tubular entre uma coluna adsortiva com entrada do adsorbato através de uma tela concêntrica promovendo o fluxo radial, e outra coluna sem esta tela favorecendo o fluxo axial, permitindo assim o preenchimento de todo o com adsorvente. Verificando assim a viabilidade para a construção futura de um protótipo.

19 19 1. DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS Em seguida é apresentada uma descrição geral dos próximos capítulos desta dissertação. O capítulo II é apresentado à revisão bibliográfica onde são mostradas algumas aplicações do sistema de refrigeração por adsorção utilizando a energia solar, assim como algumas modificações propostas por estes autores para aumentar o desempenho do sistema de refrigeração por adsorção. No capítulo III temos os fundamentos sobre adsorção, tipos de fonte de energia renovável, dados referentes à energia solar, e a intensidade da radiação solar que incide na superfície terrestre. Capítulo IV Descreve a parte experimental realizada com as colunas adsortivas tubular. Capítulo V mostra a modelo matemática para simular um sistema de refrigeração por adsorção, a validação do programa pela comparação de resultados experimental e simulado, São apresentadas as equações discretizadas e o algoritmo do programa, cálculo do fator de forma geométrico. Capítulo VI são apresentados os resultados obtidos pela alteração da geométria do coletor solar e dos experimentos em uma coluna adsortiva e a conclusão do trabalho.

20 CAPÍTULO II REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O aproveitamento da energia solar acompanhou o homem desde os primórdios da humanidade. Segundo Faidemraich e Lyra (1995), no século III a.c. já eram construídos espelhos parabólicos e, no segundo século antes de Cristo, Diócles descreveu um tratado sobre sistemas de espelhos parabólicos, denominados sobre espelhos que inflamam. Ainda na antiguidade, no primeiro século d.c. observa-se a utilização da energia solar pela civilização romana. Eles construíam com vidro na parte exterior das janelas de suas habitações, e como isso, permitiam que a radiação solar visível penetrasse no recinto e a saída da radiação infravermelha emitida pelos objetos interiores aquecidos fosse bloqueada pelos vidros, demonstrando conhecer o efeito estufa. Foi Faraday em 1848 uns dos primeiros a descrever os princípios da adsorção de vapor por um adsorvente sólido. Contudo a história da refrigeração solar data de 1878 quando o matemático francês Augustin Mouchot demonstrou seus cálculos sobre refrigeração solar com a máquina de refrigeração absortiva, projetada por Edmond Carré, para produzir gelo e que foi apresentada no Congresso Mundial em Paris (TCHERNEV, 1979). Conta-se que o público presente ficou surpreso com o aparente paradoxo de produzir gelo a partir da luz solar. Para os países com um elevado potencial de energia solar, produzindo frio utilizando a energia solar é uma forma promissora para o desenvolvimento sustentável, uma vez que a energia utilizada é livre e não prejudiciais para o ambiente. Os resultados mostram que o frigorífico apresenta bom desempenho em Rabat, Morocco.

21 -1- O coletor, fabricado a partir de chapas de cobre 1, milímetros de espessura, é um paralelepípedo com lados de 85 cm e uma largura de 6 cm. Contém 14,5 kg de carvão activado AC35, que estão espalhadas entre 13 barbatanas, 85 cm de comprimento e 5 centímetros grande, cujo papel é o de permitir uma boa transferência de calor entre o adsorvente. Uma grade de aço inoxidável é utilizado a fim de criar um espaço livre de 1 cm entre a chapa traseira do colector e do carvão ativado, para o trânsito de refrigerante vapor durante a dessorção.a unidade produz frio, mesmo em dias nublados e chuvosos e as temperaturas alcançadas pela unidade pode ser inferior a -11ºC para dias com muito elevada irradiação. A energia solar coeficiente de desempenho (COP) (arrefecimento energia / energia solar), varia entre 5% e 8% para uma irradiação entre e kj/m e uma média diária de temperatura ambiente cerca de 0 ºC. ( Lemmini et al., 007) Na Nigéria em 003 foi construído um sistema de refrigeração por adsorção utilizando o par carvão ativado/metanol como adsorvente/adsorbato utilizadas chapas de vidro plano claro com uma área de 1, m exposta aos raios solares, massa coletor/reator de 60 kg, com uma radiação global média de 559,7 W/m foi possível obter uma temperatura no evaporador de -10ºC um COP de 0,11.(Anyanwu et al., 003) Segundo Oliveira op cit. (004), existem duas maneiras de se obter frio através do uso de sistemas de refrigeração por adsorção e energia solar, um dele é usado um coletor solar plano que funciona empregando unicamente a energia solar de forma direta e intermitente, no entanto tem a desvantagem de possuir baixa eficiência em relação aos sistemas de refrigeração por compressão. Outra forma é utilizar coletores com concentradores solares que aquecem um fluido térmico que é posteriormente usado como fonte energética em um sistema de adsorção, em sistemas que apresentam eficiência maior que um de acordo com experimentos realizados por Douss e Meunier (1989). Sadoka e Suziki em 1984 construíram e testaram, em escala laboratorial, sistemas fechados de refrigeração adsortivo utilizando a par sílica gel água. Os refrigeradores consistiam de: um reator contendo tubos tipo T usados como adsortivo, um condensador, um evaprador, uma lâmpada infravermelha e uma bomba de vácuo. Com este experimento ficou clara a viabilidade técnica e experimental dos refrigeradores adsortivos.

22 Kluppel e Gurgel (1987) construíram no Brasil dois protótipos de sistemas de refrigeração adsortiva, com o par sílica gel água movidos apenas pela energia solar. Um dos protótipos era um pequeno refrigerador doméstico e o outro um bebedouro para fornecer água gelada. Ambos os protótipos utilizavam um coletor solar ou gerador, composto de cilindros metálicos tubos de cobre justapostos, com o interior preenchido por um de grânulos de adsorvente, tendo a região central oca. Estes tubos foram ligados a um manifold que fazia a ligação do gerador com o condensador. Para o protótipo do pequeno refrigerador doméstico foi obtido um coeficiente de performance (COP) de 0, 055, com o evaporador atingindo temperaturas de 4 ºC. Já o coeficiente de performance obtido pelo bebedouro de água gelada, foi de 0,077, com uma temperatura no evaporador abaixo de 1 ºC.

23 CAPÍTULO III FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3. FONTES DE ENERGIA As fontes de energia podem ser classificadas em fontes primárias ou secundárias. Por fonte de energia primária entende-se aqueles produtos energéticos providos pela natureza, na sua forma direta, como o petróleo, o gás natural, o carvão mineral, o urânio, a biomassa (lenha, cana-de-açúcar), a energia hidráulica, energia solar e outras. São formas de energia que podem ser consumidas diretamente nos diversos setores da economia, como a lenha e o carvão-vapor, ou principalmente como matériaprima para a obtenção de energias secundárias nos chamados centros de transformação (refinarias de petróleo, destilarias, centrais elétricas) As fontes de energia primárias ainda podem ser classificadas em não-renováveis ou renováveis. São consideradas como fontes não-renováveis aquelas passíveis de se esgotarem por serem utilizadas com velocidade bem maior que os milhares de anos necessários para sua formação. Nessa categoria estão os derivados de petróleo, os combustíveis radioativos, a energia geotérmica e o gás natural. Fontes renováveis são aquelas cuja reposição pela natureza é bem mais rápida do que a sua utilização energética, como no caso das águas dos rios, marés, sol, ventos) ou cujo manejo, pelo homem, pode ser efetuado de forma compatível com as necessidades de sua utilização energética (como no caso da biomassa: cana-de-açúcar, florestas e resíduos animais, humanos ou industriais). A maioria destas fontes apresenta características estatísticas ou estocásticas, de certa forma cíclicas, em períodos de tempo compatíveis com a operação das usinas e inferiores à vida útil das mesmas. Tais fontes podem ser usadas por exemplo, para produzir eletricidade principalmente através de

24 4 usinas hidrelétricas (água), eólicas (vento), solares fotovoltáicas (sol, diretamente) e centrais termelétricas (sol, indiretamente, gerando vapor e biomassa renovável). Por fonte de energia secundária entende-se aqueles produtos energéticos resultantes dos diferentes centros de transformação, que tem com destino principal os diversos setores de consumo. Assim, são exemplos o óleo diesel, a gasolina, o coque de carvão mineral, o carvão vegetal, a eletricidade. Para a energia secundária há duas alternativas, a maior parte vai diretamente para o consumo enquanto uma outra parcela é encaminhada aos centros de transformação, sendo convertida em outras fontes de energia secundária como o que ocorre entre o óleo combustível-eletricidade, bagaço de cana-eletricidade e nafta-gás canalizado. As fontes de energia secundária são em geral, produzidas pelas grandes instalações centralizadas, principalmente devido a razão do custo unitário. No caso da eletricidade, no Brasil, a grande fonte de energia elétrica no fim da década de 90 é a geração hidrelétrica. Termelétricas existem em pequena monta, enquanto que as centrais eólicas, solar fotovoltáicas e de biomassa não passam de projetos de pequeno porte, para a alimentação de sistemas isolados, distantes das redes elétricas, ou projetos piloto. Entretanto, as mudanças do cenário de Energia Elétrica neste mesmo período, identificadas pela abertura à competição, a entrada de capitais privados e a revisão do papel do Estado, que se volta à regulação, regulamentação e fiscalização, vêm associadas a um aumento da participação termelétrica, a gás natural principalmente, devido à grande oferta deste combustível e também para compensar a falta de investimentos dos últimos tempos no setor. 3.1 ENERGIA E MEIO AMBIENTE No contexto nacional destacam-se, pelas suas emissões, as Unidades Industriais e de Produção de Energia como a geração de energia elétrica, as refinarias, fábricas de pasta de papel, siderurgia, cimenteiras e indústria química e de adubos. A utilização de combustíveis para a produção de energia é responsável pela maior parte das emissões de SO X e CO contribuindo, ainda, de forma significativa para as emissões de CO e NO X. O uso de solventes em colas, tintas, produtos de proteção de superfícies, aerossóis, limpeza de metais e lavandarias é responsável pela emissão de quantidades apreciáveis de compostos orgânicos voláteis. Existem outras fontes poluidoras que, em certas condições, se podem revelar importantes tais como:

25 5 a queima de resíduos urbanos, industriais, agrícolas e florestais, feita muitas vezes, em situações incontroladas. A queima de resíduos de explosivos, resinas, tintas, plásticos e pneus é responsável pela emissão de compostos perigosos; os fogos florestais são, nos últimos anos, responsáveis por emissões significativas de CO ; o uso de fertilizantes e o excesso de concentração agro-pecuária, são os principais contribuintes para as emissões de metano, amoníaco e N O; as indústrias de minerais não metálicos, a siderurgia, as pedreiras e áreas em construção, são fontes importantes de emissões de partículas; as causas naturais, como explosões vulcânicas. As fontes móveis, sobretudo os transportes rodoviários, são uma fonte importante de poluentes, essencialmente devido às emissões dos gases de escape, mas também como resultado da evaporação de combustíveis. São os principais emissores de NO X e CO, importantes emissores de CO e de CO, além de serem responsáveis pela emissão de poluentes específicos como o chumbo. O efeito estufa e as mudanças climáticas se devem à modificações na intensidade da radiação térmica emitida pela superfície da terra devido ao aumento da concentração dos gases estufa na atmosfera. Acredita-se que esse aumento de concentração se deve principalmente a ações antropogênicas relacionadas com atividades industriais. O dióxido de carbono é o mais significativo e preocupante entre os gases emitidos, devido a grande concentração emitida e à longa duração de seus efeitos na atmosfera. Suas emissões estão principalmente ligadas ao uso de combustíveis fósseis. Outros gases estufa são o metano, óxido nitroso(no ) e os clorofluorcarbonetos. Os clorofluorcarbonetos são usados principalmente no Hemisfério Norte, que responde por 90% de todos os clorofluorcarbonetos liberados na atmosfera. Eles são pouco tóxicos, não-inflamáveis e não se decompõem facilmente. Com uma vida útil de cerca de 150 anos, esses gases sobem para a estratosfera completamente inalterados devido justamente à sua estabilidade, podendo atingir até 50 quilômetros de altitude, antes de serem totalmente destruídos pelos raios ultravioleta. Ao ultrapassar a camada de ozônio, um único átomo de cloro destrói cerca de 100 mil moléculas de ozônio. As estimativas são de que de 3% a 5% da camada já tenha sido destruída pelos CFCs. Ao reduzir a

26 6 barreira contra os raios ultravioleta, o buraco na camada de ozônio colabora para o aquecimento global e para o derretimento das calotas polares. Em 1987, mais de 60 países assinaram o Protocolo de Montreal para tentar reverter essa situação. A saída encontrada foi limitar a emissão dos gases que prejudicam a camada de ozônio. A meta era cortar em 50% as emissões até o fim de Segundo a Organização Meteorológica Mundial, o Protocolo de Montreal apresentou resultados, com uma lenta diminuição da concentração de CFC na atmosfera. Em fevereiro de 003, cientistas neozelandeses anunciaram que o buraco na camada de ozônio sobre a Antártida poderá estar fechado em 050, como resultado das restrições internacionais impostas contra quem emite os gases. Pelo acordo firmado em Montreal, os países desenvolvidos têm custeado estudos e pesquisas para a eliminação de várias substâncias nocivas à atmosfera terrestre. 3. ENERGIA SOLAR A quantidade de energia solar que atinge a Terra em dez dias é equivalente a todas as reservas de combustível conhecidas, além de ser uma fonte energética não poluente e renovável. A geração de energia elétrica tendo o sol como fonte pode ser obtida de forma direta, por meio de células fotovoltaicas (onde a irradiação solar é transformada em energia elétrica), geralmente feitas de silício, um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre. Para obter energia de forma indireta, constroem-se usinas em áreas de grande insolação (áreas desérticas, por exemplo), onde são instaladas centenas de espelhos côncavos (coletores solares) direcionados para um determinado local, que pode ser uma tubulação de aço inoxidável, como ocorre no deserto de Mojave, maior central solar do mundo, na Califórnia (EUA), ou um compartimento contendo simplesmente ar, como ocorre em Israel, ou ainda utilizam-se painéis termoreceptores (possuem tubulação de metal sendo percorrida por água) para o aquecimento doméstico da água. Alguns poucos países utilizam bastante esse tipo de energia: em Israel, 70% das residências possuem coletores solares e na Indonésia milhares de casas são totalmente iluminadas por células fotovoltaicas.

27 7 3.3 COLETOR SOLAR As aplicações da energia solar, em sistemas que requerem calor para o seu funcionamento, vêm ganhando avanços que contribui para o aumento da eficiência dos coletores. Onde cada vez mais, ocorre o aumento do aproveitamento desta energia renovável. A forma de utilização dessa energia varia de acordo com a necessidade de cada aplicação. Salienta-se que a forma mais antiga de sua utilização é o aquecimento de água. A geração de eletricidade, secagem de alimentos, refrigeração de frutas e vacinas, fabricação de gelo, condicionamento de ar, são alguns exemplos das outras formas de seu uso. O desempenho desses sistemas depende, em grande parte, da quantidade de energia solar que é coletada. Desta forma, o coletor solar é o coração desses sistemas, o qual nada mais é que um tipo especial de trocador de calor, que transforma energia solar radiante em calor. os coletores solares são um tipo especial de trocadores de calor que transformam energia radiante solar em calor, que é transferido para o poroso. Eles são divididos em coletores planos ou concentradores, dependendo da aplicação e temperatura requerida pelo sistema. O coletor solar é o componente mais importante do sistema de aquecimento solar. É ele o responsável pela conversão da energia solar em energia térmica. Portanto, um dos fatores mais críticos para o bom funcionamento de um sistema é a qualidade dos coletores solares empregados. Os coletores solares devem ser bem construídos para funcionar bem nas mais diversas faixas de temperatura de operação, o que caracteriza a sua eficiência. Para isso algumas características de construção da placa absorvedora e do gabinete devem ser observadas. A placa absorvedora/reator é à parte do coletor solar que é realmente responsável pela recepção, conversão e transferência da energia solar para o poroso. A placa absorvedora/reator é geralmente construída de tubos e chapas de material condutor (coletor solar plano). Isto é feito para aperfeiçoar as trocas térmicas entre a placa absorvedora/reator e o poroso. O material mais usualmente empregado na construção das placas absorvedoras/reator é o cobre, mas se pode encontrar equipamentos que usam o alumínio e até mesmo plástico, embora estes últimos sejam empregados apenas em equipamentos desenvolvidos para baixas temperaturas de operação. O cobre é utilizado pela sua excelente condutividade térmica, resistência à corrosão e facilidade de manuseio. O gabinete tem a finalidade isolar a placa absorvedora/reator do meio ambiente garantindo que as variações atmosféricas

28 8 afetem da maneira mais amena possível a conversão de energia solar em energia térmica. O gabinete é composto basicamente por: Caixa Externa Isolamento Cobertura (Vidro) A caixa do coletor solar deve ser feita em material resistente a corrosão e com rigidez mecânica suficiente para garantir a integridade estrutural do equipamento. As caixas podem ser feitas em chapa dobrada de aço galvanizado ou de alumínio, com perfis e chapas de alumínio, moldadas em plástico. O isolamento deve garantir que o calor gerado pela placa absorvedora/reator não seja perdido pela caixa, ou seja, que o calor gerado seja transferido integralmente para o poroso. O isolamento do gabinete deve inibir as perdas pelas laterais do coletor e pelo fundo. Existe uma vasta gama de materiais que podem ser utilizados no isolamento dos coletores. Os mais comuns são Lã de Rocha, Lã de vidro e poliuretano expandido. O vidro é um componente muito importante do sistema. Ele deve permitir a entrada da energia solar no coletor e garantir a vedação do coletor promovendo o efeito estufa. As placas absorvedoras/reator apresentam a forma de tubos com uma tela concêntrica, entre a tela e a parede interna do tubo é colocado o adsorvente. No entanto é possível alterar a geometria da placa absorvedora/reator de tal forma que aumente a área de contato entre a placa e o adsorvente. 3.4 FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO A adsorção é um fenômeno que consiste na condensação de partículas, quer sejam íons moléculas ou partículas coloidais, na superfície de separação entre alguns sólidos e na fase gasosa ou líquida com que estão em contato. A adsorção manifesta-se em medida notável nas substâncias particulares, chamadas adsorventes, como o carvão vegetal, o carvão ativado, as argilas ativadas, a alumina, a bauxita ativada, a sílica gel etc., que sejam finamente subdivididas e tratadas de modo a apresentarem uma superfície enorme relativamente a sua massa (m /g).

29 -9- Segundo Oliveira op cit. (004), em qualquer sólido as moléculas que encontra-se em seu interior estão sujeitas a formação de ligações de igual carga, em todas as direções, já para as moléculas que encontran-se na superfície de um sólido as forças das ligações podem estar em desequilíbrio. No entanto para que ocorra a igualdade das forças de ligação nas superficies sólidas, uma outra molécula deve ser ligada a esta superfície, promovendo o fenômeno da adsorção. Estas forças de ligação são chamadas de forças de Van der Walls. No processo da adsorção ao sólido é chamado de adsorvente, enquanto ao líquido ou gás que está sendo adsorvido, é chamado de adsorbato TIPOS DE ADSORÇÃO A adsorção pode ocorrer tanto por mecanismos físicos como por mecanismos químicos (FOUST, 1980). A adsorção física ocorre quando forças intermoleculares de atração entre as moléculas do fluido e a superfície do sólido são maiores do que as forças de atração entre as próprias moléculas do fluido. As moléculas do fluido aderem-se à superfície do sólido e o equilíbrio é estabelecido entre o fluido adsorvido e o restante que permaneceu na fase líquida. O calor de adsorção é pequeno e da mesma ordem de grandeza dos calores de condensação. Na adsorção química, ou quimissorção, há o envolvimento de interações químicas entre o fluido adsorvido e o sólido adsorvente, onde há a transferência de elétrons, equivalente à formação de ligações químicas entre o adsorbato e a superfície do sólido. Neste caso, o calor de adsorção é da mesma ordem de grandeza dos calores de reação. Por esta razão, somente a adsorção física é apropriada a uma operação cíclica. Além disso, na adsorção física podem formar-se camadas moleculares sobrepostas, enquanto que na adsorção química se forma uma única camada molecular adsorvida (monocamada).

30 -30- Tabela Principais diferenças entre adsorção física e adsorção química. ADSORÇÃO FÍSICA ADSORÇÃO QUÍMICA Causada por forças de van der Waals. Causada por forças eletrostáticas e ligações covalentes. Não há transferência de elétrons. Há transferência de elétrons. Calor de adsorção = - 6 kcal/mol Calor de adsorção = kcal/mol. Fenômeno geral para qualquer espécie. Fenômeno específico e seletivo. A camada adsorvida pode ser removida por A camada adsorvida só é removida por aplicação de vácuo à temperatura de aplicação de vácuo e aquecimento a adsorção. temperatura acima da de adsorção. Formação de multicamadas abaixo da Somente há formação de monocamadas. temperatura crítica. Acontece somente abaixo da temperatura Acontece também a altas temperaturas. crítica. Lenta ou rápida. Instantânea. Adsorvente quase não é afetado. Adsorvente altamente modificado na superfície. Fonte: Revista Química Nova, Vol. 4, Nº. 6, , CLASSIFICAÇÃO DOS POROS De acordo com o tamanho dos poros das superfícies sólidas porosas podem ser divididas em microporosas, mesoporosas e macroporosas. Davies e Legros op cit. mencionam que, segundo a convenção da IUPAC, as substâncias microporosas possuem poros com diâmetro de até nm, enquanto as substâncias mesoporosas possuem poros com diâmetro entre e 50 nm, sendo que acima desses valores, a substância é considerada macroporosa TERMODINÂMIDA E ISOTERMAS DE ADSORÇÃO Para se estimar a capacidade de adsorção de um dado adsorvente, é essencial ter informações do equilíbrio de adsorção. Vários estudos têm sido conduzidos para se determinar a quantidade de espécies adsorvidas sob condições determinadas (concentração e temperatura) ou a seletividade do processo de adsorção quando dois ou mais compostos adsorvíveis estão presente na solução ( FOUST, 1980; RUTHVEN, 1994).

31 31 Quando um adsorvente está em contato com um fluido que possui uma determinada composição específica, o equilíbrio da adsorção acontece depois de um tempo suficientemente longo. Neste estado, a relação entre a quantidade adsorvida Q e e a concentração da fase fluida X eq a uma dada temperatura é chamada de Isoterma de Adsorção. Em geral, para a adsorção física numa superfície homogênea em concentrações suficientemente baixas, a isoterma deve se aproximar à forma linear, onde a inclinação limite na região de baixa concentração é chamada de constante da lei de Henry (K), ou constante de equilíbrio termodinâmico: A + adsorvente A Ka / Kd ( S ) adsorvido (3.1) Sendo: A (S) Adsorbato no interio do sólido adsorvente A adsorvido Adsorbato no interior do sólido adsorvente K A Constante de velocidade de adsorção K d Constante de velocidade de dessorção A lei de Henry corresponde fisicamente à situação em que a fase adsorvida está tão diluída que não existe competição por sítios adsortivos nem interações entre as moléculas adsorvidas. Em maiores concentrações ambos os efeitos tornam-se importante, modificando a forma da isoterma (RUTHVEN, 1994). Dependendo do sólido adsorvente, existem vários tipos de isotermas, sendo que a maioria das isotermas de adsorção física pode ser agrupada em cinco tipos, que foram classificadas segundo BRUNAUER et al (1938), frequentemente chamada de classificação de BET.

32 3 Figura Isoterma de adsorção classificada por BRUNAUER et al.(1938) As isotermas de adsorção indicam uma estimativa da quantidade máxima de soluto que o adsorvente adsorverá. O estado termodinâmico do é função da massa adsorvida, da temperatura e da pressão. As isotermas para sólidos microporosos (microporos < nm), nos quais o tamanho do poro não é muito maior do que o diâmetro da molécula do adsorbato, são normalmente representas pelo tipo I. Isto acontece porque com estes adsorventes, existe uma saturação limite correspondendo ao enchimento completo dos microporos. Ocasionalmente se os efeitos de atração intermolecular são grandes, a isoterma do tipo V é observada. Uma isoterma do tipo IV sugere a formação de duas camadas na superfície plana ou na parede do poro, este muito maior do que o diâmetro molecular do adsorbato (mesoporos: a 50 nm e macroporos: >50nm). Isotermas do tipo II e III são geralmente observadas em adsorventes que apresentam uma grande faixa de tamanho de poros. Nestes sistemas, existe uma progressão contínua com aumento das camadas levando a uma adsorção de multicamadas e depois para condensação capilar. O aumento na capacidade a altas concentrações acontece devido à condensação capilar nos poros de maior diâmetro (RUTHVEN, 1984).

33 ISORTEMA DE LANGMUIR A isoterma de Langmuir é caracterizada por uma aproximação monoatônica a uma quantidade limite de adsorção, e que se presume corresponder à formação de uma monocamada, (comportamento esperado para a quimissorção). A expressão da isoterma do Langmuir é representada pela equação abaixo: X eq X 0 b. Ceq =. (3.) 1+ b. C eq Onde: C eq é a concentração de equilíbrio na fase líquida, b e X 0 são os parâmetros de Langmuir, X 0 representa a máxima capacidade de cobertura da monocamada b está relacionado com a constante de equilíbrio de Langmuir. A isoterma falha em muitos aspectos e essas falhas devem-se, entre outros fatores, à heterogeneidade da superfície. No entanto, apesar das limitações, a equação de Langmuir se ajusta, razoavelmente bem aos dados experimentais de muitos sistemas ISORTEMA DE FREUNDLICH Outro modelo de isoterma freqüentemente aplicado é o modelo de Freundlich, considerado empírico. É possível interpretá-lo teoricamente em termos de adsorção em superfícies energeticamente heterogêneas. Este modelo se aplica bem em dados experimentais de faixa de concentração limitada (SUZUKI, 1990). A equação de Freundlich foi originalmente introduzida como uma correlação empírica de dados experimentais, sendo só muito mais tarde derivada matematicamente por Appel em 1973, admitindo-se uma distribuição logarítmica de sítios ativos, que constitui um tratamento válido quando não existe interação apreciável entre as moléculas de adsorbato (RUPP, 1996). O modelo de Freundlich não limita a capacidade de adsorção, deixando a quantidade adsorvida ir até o infinito quando a concentração aumenta. É aplicada somente abaixo da concentração de saturação (solubilidade ou pressão de vapor de saturação) onde ocorre a condensação ou cristalização quando o fenômeno de adsorção não é mais significativo (SUZUKI, 1990).

34 34 X eq 1 n = K. C eq (3.3) Onde, X eq é a quantidade adsorvida na fase sólida, C eq é a concentração de e carvão equilíbrio na fase líquida e K e n são os parâmetros empíricos de Freundlich, sendo constantes que dependem de diversos fatores experimentais e se relacionam com a distribuição dos sítios ativos e a capacidade de adsorção do adsorvente. O expoente n dá uma indicação se a isoterma é favorável ou desfavorável, sendo valores de n no intervalo de 1 a 10 representam condições de adsorção favorável ISORTEMA DE BET Este tipo de isoterma é bastante utilizado na caracterização de área superficial de carvões (RUTHVEN, 1984). Brunauer, Emmet e Teller (1938) desenvolveram um modelo simples de isoterma que leva em consideração a adsorção em multicamadas, permitindo calcular a capacidade da monocamada e a área superficial do carvão. As seguintes simplificações são consideradas: a adsorção ocorre em multicamadas independentes e imóveis; equilíbrio é alcançado para cada camada; além da primeira camada, a adsorção é aproximadamente igual a condensação. A isoterma BET é expressa pela equação: X eq = C s C eq X b. C eq C eq ( b 1 ). C s (3.4) Onde X eq e X 0 tem o mesmo significado de Langmuir, b está relacionado com a saturação em todas as camadas, C eq é a concentração de equilíbrio no fluido e C s é a concentração do soluto na saturação de todas as camadas. As isotermas de BET são caracterizadas pela forma de S, como apresentado nas isotermas do tipo II.

35 ISORTEMA DUBININ - ASTAKHOV Segundo Oliveira op cit. (004) elementos adsortivos formados por macroporos e mesoporos podem ser representados pelas equações de B.E.T. e Langmuir, pelo fato do adsorbato formarem na superfície sólidas mono e multicamadas. Por outro lado para os microporos ocorre o preenchimento do volume destes poros, de acordo com está hipótese, Dubinin (1967) desenvolveu uma teoria de equilíbrio de Wo, e adsorção de gases e vapores levando em conta que todo o poro é preenchido com volume máximo, expressa o volume dos microporos por massa unitária de adsorvente anidro. A teoria de adsorção de gases e vapor em adsorventes microporosos inicia-se da teoria do potencial de adsorção de Polanyi, onde o potencial de adsorção (A), pode ser representado pela equação de trabalho de compressão isotérmico: P Sat = R. T Leito.ln (3.5) PLeito A. Onde P sat. é a pressão de saturação do adsorbato à temperatura do adsortivo, T Leito e P Leito é a pressão o interior no, R é a constante relativa dos gases ideais. De acordo com a teoria de Dubinin-Astakhov, descrita por Oliveira op cit. (004), a relação existente entre o volume ocupado pelo adsorvato, com o volume máximo do poro e com o potencial de adsorção é mostrado pela equação abaixo: n A W = W 0 exp (3.6) E Onde E é a energia livre característica do par e contém os parâmetros da microporosidade do adsorvente e à afinidade do adsorbato pelo adsorvente.

36 36 Substituindo a equação 3.5 em 3.6 temos: W n n R P Sat = W 0.exp TLeito. ln (3.7) E PLeito obtém-se: Multiplicando-se ambos os lados da Equação 3.7 pela densidade do adsorvato, X n P Sat. = X 0. exp D. TLeito. ln (3.8) PLeito Onde as constantes n R foram substituídas pela constante D. E Quando a pressão no adsortivo é igual à pressão de saturação do adsorbato no condensador ou no evaporador as e Equações 3.6 e 3.7, são modificação, através da Equação 3.8 conhecida como equação de Clapeyron. C LnP = sat B (3.9) Tsat. C ln P = Sat B (3.10) TLeito C LnP = Leito B (3.11) TSat. Os coeficientes B e C são específicos para cada adsorbato.

37 37 Substituindo as equações 3.9 e 3.10 em 3.7 temos: n TLeito X = X 0.exp K. 1 (3.1) Tsat Onde : K D. C n = (3.13) 3.4 TIPOS DE ADSORVENTES Segundo Oliveira op cit. (004), os adsorventes hidrofílicos apresentam maior afinidade por substâncias polares ou seja substância que apresentam diferença de eletronegatividade entre seus átomos, por exemplo a água. Para os adsorventes hidrofóbicos os mesmos tem maior identidade por gases e compostos oleosos. Os adsorventes hidrofílicos mais utilizados são a sílica-gel e a zeólita em sistemas de refrigeração e o adsorvente hidrofóbico mais utilizado é o carvão ativado. A Estrutura química geralmente aceita destes materiais assim como a área superficial é apresentado na Tabela 3. (DECHOW, 1989) SÍLICA GEL A sílica gel é um composto sintético cuja principal matéria prima é o silicato de sódio. Possui propriedades higroscópicas e adsorventes, isto é, grande capacidade em desidratar o ambiente em que se encontra. Baseia-se na retirada de moléculas de líquidos e gases. A sílica gel microporosa (SiO.n H O amorfo) é obtida por desidratação parcial de polímeros de ácido silicílico, que se aglomeram sob a forma de micropartículas aproximadamente esféricas de dimensões razoavelmente uniformes (compreendidas entre e 0 mm) dependendo das condições da operação. A microporosidade do produto é essencialmente dependente das dimensões originais das micropartículas, as quais são determinadas através do controle rigoroso das condições de síntese. A distribuição microporosa em conjunto com a forma esférica garante uma alta densidade aparente e facilitam a passagem do gás, sem a formação de volumes mortos. A forma esférica reduz a queda de pressão ( perda de carga) em s, que se

38 38 mantém baixa e cresce pouco com o uso, mesmo quando sujeita a sucessiva regenerações. Algumas propriedades físicas da sílica gel podem ser observadas na Tabela 3.. Tabela 3. - Propriedades típicas da sílica gel Fórmula Química SiO Ph (solução aquosa) a 5% 5,5 a 6,5 Densidade de massa Gravidade especifica 0,750 g/ml, g/ml Teor de Sílica (1.000 ºC) 99,5 % Cloreto de Cobalto (azul) 0,5% Ferro Máx. 100 ppm 3.5. ZEÓLITA A Zeólita são silicatos hidratados de alumínio do grupo dos alcalinos terrosos. Esse dessecante é encontrado em seu estado natural em regiões vulcânicas. A estrutura cristalina da zeólita é formada pela união de unidades primárias de tetraedros de SiO 4 e AlO 4. Essa união ocorre através de átomos de oxigênio, que assim dão origem a uma rede uniforme de microporos de dimensões moleculares, por onde partículas externas podem circular. Possuem cristais com microdiâmetro, que são facilmente sintetizados e são encontrados na forma de grãos com tamanho e geometria variáveis. A zeólita possui diâmetro variando aproximadamente entre a 4.3 Å (angstroms). Existem mais de 40 espécies naturais e 150 espécies sintéticas de zeólitas. A zeólita é um dos adsorventes mais higroscópicos, o que lhe propicia uma alta capacidade de adsorção. Entretanto, comparada com a sílica gel, a zeólita necessita de uma temperatura de reativação mais elevada, o que dificulta sua utilização em sistemas dessecantes que desejam utilizar energia solar como fonte de calor regenerativa. É largamente utilizada em escala industrial, cujas principais aplicações se dão no setor petroquímico e na separação de gases e desidratação em geral, e ainda na troca iônica.

39 CARVÃO ATIVADO O carvão ativado é um dos adsorventes mais utilizados atualmente, apesar de ter sido um dos mais antigos. A matéria prima utilizada na produção do carvão ativado pode ser de origem mineral ou vegetal. São geralmente produzidos através da decomposição térmica de um material carbonáceo a temperaturas moderadas, com o intuito de remover materiais voláteis dos poros e evitar a combustão. Depois disso, ocorre o processo de ativação do carvão em temperaturas maiores. Possui uma afinidade com substâncias orgânicas, sendo sua principal aplicação atualmente a descontaminação de água para consumo humano ALUMINA ATIVADA Alumina ativada são óxidos e hidretos de alumínio fabricados através de processos térmicos. São obtidas da bauxita (Al O 3 3H O), por desidratação e recristalização em temperaturas elevadas. Sua área especifica é em torno de 150 a 500 m /g, para poros entre 1,5 a 6 nm. São utilizadas como dessecante na desumidificação de ar quente e purificação específica de correntes líquidas. Possui afinidade com água semelhante com a sílica gel.

40 CAPÍTULO IV REFRIGERADOR SOLAR 4. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMETO Um sistema básico de refrigeração por adsorção, onde a energia para regeneração é proveniente do sol, consiste de um coletor/reator, onde acontecem os fenômenos de dessorção e adsorção, de um condensador, onde o adsorbato é condensado durante o processo de dessorção, e de um evaporador, onde ocorre o efeito frigorífico quando o adsorbato é adsorvido pelo coletor/reator. Coletor Figura 4.1 Esquema de um sistema de refrigeração por adsorção.

41 41 De acordo com Oliveira (004) O processo de dessorção e adsorção, que acontece dentro do poroso é representado frequentemente em um diagrama de Clapeyron, como podemos verificar na Figura 4.. A equação 4.1 é usado para obter a pressão de saturação de um fluido em função da sua temperatura, sendo esta equação a base para construção dos diagramas. ln ( P ) / sat = B C T Sat (4.1) Neste diagrama é possível verificar a variação da concentração mássica de adsorbato no adsorvente em relação à pressão e a temperatura no adsortivo. No eixo das ordenadas em escala logarítmica é representado a pressão e no eixo horizontal a temperatura é representada no formato -1/T. As condições de equilíbrio de pressão e temperatura do adsorbato é representado pela linha de saturação na Figura 4., as outras linhas diagonais a esquerda do diagrama indicam um estado onde a concentração mássica de adsorbato no adsorvente é constante, que são denominadas de isósteras. As linhas que encontram-se mais próximas da linha de saturação temos uma maior concentração de adsorbato no adsorvente. Com o aumento da temperatura do adostivo, a pressão constante é possível promover a diminuição da concentração mássica de adsorbato no adsorvente. Figura 4. - Diagrama de Clapeyron para um ciclo ideal de adsorção/dessorção.

42 4 Inicialmente considerando que o poroso de um dispositivo adsortivo, esteja a temperatura T ads e pressão P evap, o ciclo inicia-se a partir do instante em que uma determinada quantidade de calor passa a ser fornecida ao poroso, o que promove o aumento da temperatura e da pressão dentro do poroso. À medida que a temperatura do poroso aumenta, devido ao calor fornecido ao mesmo, a concentração de adsorbato no interior do diminui, sendo este fenômeno conhecido como dessorção, em seguida o adsorbato que é o fluido refrigerante do sistema é condensado em um condensador que pode estar internamente ou externamente ao chiller adsortivo. Quando a temperatura do poroso chega a temperatura de trabalho ou temperatura de dessoção (Td ess ), neste instante interrompe-se o aquecimento do e o processo dessortivo. O produto da massa do adsorvente que se encontra dentro do poroso, pela diferença entre a concentração inicial (X A ), e a concentração final de adsorbarto (X c ). Na próxima fase o adsorbato que foi condensado, é direcionado ao evaporado, e o poroso que esta a temperatura igual á T dess e a pressão P c passa pelo processo de resfriamento, assim a temperatura e pressão do diminuem e a concentração mássica de adsorbato no encontra-se constante, e após este instante à proporção que o poroso é resfriado, o adsorbato que encontra-se dentro do evaporador é adsorvido pelo poroso, neste caso o adsorbato ao evaporar promove o efeito frigorífico. Quando o poroso chega a temperatura inicial, T ads, o processo de resfriamento é parado. Para o aquecimento e resfriamento do poroso, pode ser utilizado um fluido térmico que é aquecido por uma fonte térmica, e tem o calor rejeitado em um dissipador de calor (torre de resfriamento), assim possível aquecer e resfriar o diversas vezes, ocasionando diversas fases dessortivas/adsortivas. 4.1 MODELAGEM MATÉMATICA E DISCRETIZAÇÕES Para a elaboração do modelo matemático são consideradas algumas hipóteses, que tornam possível a simulação. As quais são mostradas em dados experimentais obtidos por Guilleminot et al. op. Cit., Os processos de adsorção e dessorção são considerados quase estáticos, hipóteses: A pressão é uniforme em qualquer ponto do adsortivo para cada instante de tempo, variando entre a pressão inicial e a pressão de condensação do adsorvato.

43 43 A distribuição de temperatura no adsorvente é considerada uniforme a cada instante de tempo. O adsortivo, em presença de vapor do adsorbato, é tratado como um sólido contínuo e homogêneo. A distribuição de temperatura no interior do é uniforme, devido à pequena espessura do. O par sílica gel e água não apresenta variação nas propriedades termofísicas. A transferencia de calor convectiva não é levado em conta no fluxo gasoso. A condensação ocorre a uma temperatura constante.

44 44 4. EQUAÇÕES USADAS NA SIMULAÇÃO A simulação matemática apresentada neste trabalho foi construída partindo-se da equação de Dubinin-Astakhov, que propõe uma relação entre concentração do sorbato adsorvido no adsorvente à temperatura do leio poroso e a pressão do sorbato. Sendo mostrada uma comparação entre os resultados obtidos através da alteração do coletor solar plano tubular para coletor solar plano triangular, sendo os resultados apresentados nos próximos capítulos. A equação de condução de calor no interior do volume do poroso é dada por: T. Qs (4.) t Leito C = S+ Considerando a aproximação que C = C adsorvente + C adsorbato C adsorvente = M adsorvente.c especifico C adsorbato = M adsobato. c especifíco Onde: C Capacidade térmica do C adsovente Capacidade térmica do adsorvente C adsorbat o Capacidade térmica do adsorbato S Energia térmica proveniente da radiação solar h s Entalpia de sorção Q s Calor de sorção X Concentração no poroso (kg de adsorbato/kg de adsorvente) M adsorbato Massa de adsorbato M adsorvente Massa adsorvente t Tempo Ps Pressão de saturação do adsorvente a temperatura do poroso T Temperatura do poroso R Constante universal dos gases M adsorbatom X = (4.3) adsorvente Pela equação de Clausius Clapeyron h s = RT. ln Ps. T (4.4)

45 45 O calor de sorção e dada pela equação: Q s = M h X adsorvente. s. (4.5) t Pela equação de Dubinin-Astakhov, tem-se: X n P s = W0ρ ( T ) exp D. T. ln (4.6) P Onde: W 0 - Constante da equação de Dubinin-Astakhov; ρ (t) massa especifica do adsorbato n Constante da equação de Dubinin-Astakhov que depende do adsorvente utilizado (para a sílica gel n=1). D É uma constante que vale n R E. Reagrupando os termos da equação acima, tem-se: 1 n 1 1 X lnp = lnps.. ln T D W0ρT (4.7) Derivando a equação (4.7) em relação à temperatura do adsorvente, tem-se: ρ ln( ) lnp lnps Ps 1 W0 = ln. +. X. T T T P T nd. T letio P.ln P s n (4.8) Onde: ρ ln X αv = W 0. (4.9) T α v Coeficiente de dilatação volumétrica (1/K) E pela equação de Clausius-Clapeyron, tem-se: lnp T h = RT. s leitio (4.10) Daí temos:

46 46 h RT. s lnps = T Ps ln P 1. T leto α v +. T nd. Ps.ln P n (4.11) Isolando h s, na equação acima obtemos: h s = ln Ps Ps. RT. ( RT. ) ln T P 1 T α v + T nd. Ps. ln P n (4.1) Onde temos que: Calor latente de mudança de fase do adsorbato L lv = RT. lnps. T (4.13) Sendo: L lv Calor latente de mudança de fase do adsorbato (J/kg) Logo temos: h s = L lv + RT. letio Ps α. RT.. Ln( ) + P nd. l. T Ps.ln P 1 n (4.14) Onde foi determinada a entalpia de sorção em função da pressão e temperatura do. Determinando-se a diferencial total de Ln P (X, T), tem-se: lnp lnp = dx dt (4.15) d lnp. +. X T Isolando ln X P da equação 4.15 temos lnp X = T 1. ndx.. T P s ln P 1 n (4.16) Substituindo as equações 4.16 e 4.10 em 4.15 temos: 1 s s d lnp =. T. ln. dx +. T. ndx.. P RT. P 1 n h dt (4.17)

47 47 Isolando dx obtemos: n 1 n Ps hs dx = X. ndt... ln. d lnp. dt P RT. Diferenciando a equação acima em relação ao tempo temos: De acordo com (ANYANWU, 007) X t X t lnp = t lnp = i+ 1 t h s T n ln. T ndx RT t P i h RT. s T. i+ 1 T t i. T Ps P n n 1. ndx... ln Ps P n 1 (4.18) (4.19) (4.0) Como sabemos que o calor de sorção é obtido pela equação 4.14, e substituindo a equação 4.19 na mesma temos: lnp hs T n Ps Q ln. s = Madsorventehs T ndx (4.1) t RT t P Para simplificação pode-se estabelecer um sistema de equações considerando a temperatura uniforme em todo o poroso. O sistema de equações estabelecido é resolvido usando-se o método de diferenças finitas, a idéia geral de diferenças é a discretização do domínio e a substituição das derivadas presentes na equação diferencial, por aproximações envolvendo somente valores numéricos da função. As temperaturas e pressões calculadas são corrigidas a cada incremento de tempo. Existe certa cautela no tocante a estabilidade do sistema, o que conduz a utilização de pequenos intervalos de tempo sendo assim, o programa dar resposta a cada segundo. n MODELO PARA O COLETOR SOLAR/REATOR Sendo a parte mais importante de um sistema de refrigeração solar por adsorção, o coletor solar/reator, é apresentado neste trabalho de dissertação em duas formas geométricas distintas (a placa absorvedora), um sendo coletor solar plano tubular e outro coletor plano triangular. O coletor/reator plano tubular tem fluxo de adsorbato radial, através de uma tela concêntrica para facilitar o escoamento do adsorbato pelo poroso e conseqüentemente o processo de adsorção e dessorção. Esta modificação tem como

48 48 objetivo verificar através de simulação computacional se a alteração geométrica na placa absorvedora/reator contribuirá para um aumento no desempenho do sistema, modificação esta que proporcionará uma maior área de contato entre a placa absorvedora e o poroso, sentido do fluxo de adsorção que poderá ser por baixo do através de uma tela onde é colocado o adsorvente, maior área de troca convectiva durante o período de resfriamento do coletor/reator, onde a cobertura de vidro e retirada, sendo calculada a energia perdida para o céu pela placa absorvedora na forma de radiação. Figura Coletor solar plano triangular Figura 4.4 Coletor solar plano tubular com tubo concêntrico PLACA ABSORVEDORA O aquecimento da placa absorvedora no interior do coletor dá-se pela ação de quatro parâmetros, os quais são: O calor proveniente do poroso, cuja transferência é determinada pelo coeficiente de contato térmico na interface placa absorvedora/adsorvente; A radiação solar que penetra no interior do coletor solar; As perdas de calor no interior do coletor.

49 49 As perdas de calor por radiação no período em que a cobertura de vidro é removida. Fazendo um balanço energético geral na placa absorvedora temos: E armazenada t = E entra + E gerada E saí E Energia. Daí obtemos: No período de aquecimento da placa: m p Tp. Cpp. = Rad solar. Ac hcp. Ap. p T. coletor p amb t ( T T ) U.( T T ) (4.) No período quando a cobertura de vidro é removida: m p Tp. Cpp. = Rad solar. Ac hcp. Ap.. σ t ( T Tp) UT coletor ( Tp Tamb ) Fforma. ε.. Ap.( Tp Tcéu (4.3) Sendo: m p massa da placa absorvedora (kg); c pp - Calor específico a pressão constante da placa (J/kg.K); T p - Temperatura da placa (K); t - Tempo (s); Rad solar Fluxo de radiação solar sobre a placa absorvedora (W/m ); A c Área do coletor (m); h cp Coeficiente de contato térmico entre a placa/ poroso obtido experimentalmente por (GULLEMINOT J.,1987), (17,1 W/m.K); U T.coletor Coeficiente de perdas total no coletor solar (W/m.K); F fator Fator de Forma geométrico (adimensional); σ constante de Stefan Boltzmann (5, W/m.K); ε Emissividade da placa absorvedora (0,9 adimensional); T céu Temperatura do céu (K). Discretizando as equações 4. e 4.3 tem-se:

50 50 m m p t+ 1 t t t ( T T ) U.( T T ) Tp Tp. Cpp. = Rad solar. Ac hcp. Ap. p T. t forma p t ( T T ) p céu t t ( T T ) coletor t+ 1 t Tp Tp p. Cpp. = Rad solar. Ac hcp. Ap. p UT. coletor F t. ε. σ. A. ( T p p T amb amb ) (4.4) (4.5) 4.3. COEFICIENTE DE PERDAS O coeficiente de perdas do coletor solar e dado pela expressão: U = ( U. A + Ui. A + U. A ) (4.6) T. coletor s s i l l As perdas laterais de energia do coletor solar foram desprezadas neste trabalho, seguindo então, de acordo com (Duffie e Beckman op. Cit.) tem-se: k iso U i = (4.7) Liso U i coeficiente de perdas pela parte inferior do coletor (W/m.K); k iso condutividade térmica do isolamento (W/m.K); L iso espessura do isolamento (m). A i Área inferior do coletor solar (m ) E de acordo com Klein (1973), tem-se: U + s = C T ( ε placa i placa. N c ( T T ) placa ( N + f) c σ.( T placa c amb + T + 0, N. hv. ) e 1 amb 1 + hv. ).( T. N + placa c 1 + f + + T amb 1+ 0,113. ε ε vidro ) placa N c (4.8) f = 1+ 0,089. h 0,1166. h. ε ).(1+ 0, N ) (4.9) ( vidro vidro placa c C = 50.(1 0, β ) Para 0º<β<70º (4.30) i e=,43.(1/(100 / T )) (4.31) 0 placa

51 51 U s - Coeficiente de perdas na parte superior do coletor (W/m. K); N c Número de cobertura; h v - É o coeficiente de transferência de calor do vento; ε v Emitância do vidro; ε p Emitância da Placa absorvedora; Β Ângulo de inclinação do coletor solar. Quando o coletor solar estiver sem a cobertura de vidro o coeficiente total de perdas passa a ser: U T. coletor 1 = (4.3) 1 Liso + h. A K. Ai placa iso O cálculo do coeficiente de convecção forçada (h) foi obtido considerando a placa do coletor solar como sendo plano, e a velocidade média do vento na cidade de João Pessoa de 3,5 m/s de acordo com dados meteorológicos da estação localizada no LES UFPB (Tabela A1 em anexo), e o comprimento do coletor solar (L coletor ) igual a 1 m temperatura ambiente de 8 ºC (301,15 K). Nu= 0,664.Re 1/.Pr 1/ 3 (4.33) V.L Re= coletor Pr>=0,6 ν h= Nu. K L coletor (4.34) (4.35) Das Tabelas (Incropera op. Cit.) Pr número de Prandtl (0,707) N u número de Nusselt υ viscosidade cinemática (15, m /s) k Condutividade Térmica (6, W/m.K) Re número de Reynolds

52 FATOR DE FORMA GEOMÉTRICO O fator de forma descreve a fração de energia que deixa uma superfície e chega a uma segunda superfície. Ele leva em conta a distância entre as superfícies, calcula as distâncias entre o centro de cada superfície, e sua orientação no espaço com relação à outra. O fator de forma é uma medida adimensional, sendo puramente uma relação geométrica, independente do ponto de vista ou dos atributos da superfície. Considerando que as superfícies são emissoras e refletoras difusas e tem radiosidade uniforme, temos as seguintes equações: 1 cosφi.cosφj Fij = daida A AiAj π. r i 1 cosφj.cosφi Fji = dajdai A AjAi π. r j j (4.36) (4.37) Outras duas importantes relações decorrentes das equações 4.36 e 4.37 é a relação da reciprocidade equação 4.38 e a regra do somatório equação A. F = A F (4.38) N i j= 1 ij j ji F = 1 (4.39) ij De acordo com as Figuras apresentadas abaixo a fração da radiação que saí da superfície 3 para foi calculada através dos retângulos adjacentes em plano perpendiculares formados. Superfícies 1 e. Figura 4.5 Vista frontal do coletor plano triangular

53 53 Figura 4.6 Vista frontal do coletor plano tubular. De acordo com (Incropera op. Cit.) a fração da radiação que sai da superfície para 1 é obtido pela integração da equação Tendo como resultado a equação ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) = 1/ 1 1/ ln 4 1 ) ( 1.tan 1.tan 1.tan.. 1 H W W H H W H H H W W H W W H W H W W H W H H H W W W F π (4.40) Sendo: L placa medida H = L placa medida W 1 =

54 54 Figura 4.7 Representações das áreas hipotéticas das placas absorvedora. Com a relação da reciprocidade e do somatório, podemos obter a fração da energia radiante de sai da área 3 para. As superfícies 1, são planas logo os fatores de forma geométricos F 11, F são iguais a zero assim como a superfície 3 por ser convexa, as expressões F 11, F, F 33 representa a fração da energia que sai da superfície e é interceptada por ela mesma. Relação da reciprocidade: F. A = F. A F = F1. A A 1 F. = A 3 A F3. 3 F A = F A F = F 13. A A 3 1 Relação do somatório: F F F F 1 + F + F F 13 + F + F 1 31 = 1 = 1 = 1 Como F 11 =F =F 33 =0 Tem-se: F F F F 13 + F + F 1 31 = 1 F = 1 = 1 13 = 1 F 1

55 55 Substituindo F 13 e F 1 em F 3 tem-se: F F 3 3 = 1 F = 1 F A. A 1 3 F 3 = 1 A 1 ( 1 F ) 1. A3 (4.41) Para o coletor plano triangular tem-se: A = CH. A A 1 3 Dtri. =. C Dtri. = + H. C C Comprimento do coletor (m); Dtri.- Base do triangulo (m). Para o coletor plano tubular tem-se: A A A 1 3 Dtub =. C Dtub =. C =π. DtubC. C Comprimento do coletor (m); Dtub. Diâmetro do tubo (m).

56 FLUXO DE RADIAÇÃO SOLAR SOBRE A PLACA ABSORVEDORA A radiação solar incidente no topo da atmosfera terrestre varia basicamente com a latitude e o tempo, a qual, ao atravessar a atmosfera, interage com seus constituintes e parte dessa radiação que é espalhada em outras direções é especificada de radiação solar difusa, a outra parte chega diretamente à superfície do solo é denominada de radiação solar direta. Somando a radiação difusa com a direta obtem-se a radiação solar global. Para se determinar o desempenho de um coletor solar torna-se necessário o conhecimento de certas propriedades (transmissão, reflexão e absorção) inerentes ao projeto do mesmo, as quais são conseqüências diretas do material utilizado. Deste modo, algumas características básicas determinam o desempenho de um coletor, tais como: Quantidade de coberturas; Propriedades do vidro; Inclinação do coletor solar; Eficiência do isolamento utilizado no interior do coletor; Propriedades da placa absorvedora. A energia solar (Rad solar ) foi obtida através de dados meteorológicos da estação solar localizada na cidade de João Pessoa, onde foi possível, com estes dados, construir uma equação polinomial que é utilizada para simular a radiação solar no programa computacional Tabela A1 (em anexo). Onde: 4 3 S solar = 0,366. hd 16,86, hd + 55,1. hd 1409 * hd (4.4) Rad = τα. S. A (4.43) solar solar coletor Sendo: τα - Produto entre a transmitância do vidro e a absorbância da placa; (0,88); S solar fluxo de radiação de energia solar que o coletor recebe obtido pelo polinômio (W/m ); A coletor - Área do coletor solar (m ); hd Hora do dia.

57 TEMPERATURA EFETIVA DO CÉU A temperatura efetiva do céu é calculada de acordo com a equação abaixo, (Duffie e Beckman op. Cit.). [( 0,711+ 0,0056. T + 0,00073, T 0,013.cos(15. t) )] 1/ 4 Tcéu = Tma ov ov + (4.44) Sendo: T céu Temperatura do céu (K); T ma Temperatura média anual da região (João Pessoa) (K); T ov Temperatura de orvalho (deve ser informada ºC); t Tempo (h). 4.4 MODELO PARA O LEITO POROSO O calor que é fornecido pela placa absorvedora provoca o aquecimento do poroso, como o se encontra em presença do adsorbato adsorvido, é considerado um calor de geração (Qs). Como condição limite, considera-se o isolado em sua outra extremidade, o que corresponde a simetria no caso dos reatores. M Onde: T. Cp.. = Qs + hcp. Aplaca ( Tplaca T ) t (4.45) M Massa do poroso (kg); C p. calor específico do poroso. Substituindo a equação 4.1 na equação 4.45 e discretizando tem-se: Lembrando que: M M. c. cp. = Madsorbato. cp. adsorbato + adsorvente adsorvente

58 58 M. T n. c p. T. t+ 1. ndx... ln t Ps P T t n 1 = M + h cp. A adsorvente placa ( T. h s placa lnp. t T ) h RT. s T. t. (4.46) A pressão e temperatura durante os processos a concentração constante, são calculados através de um procedimento iterativo usando-se a equação de Dubinin- Astakhov (4.6) como recorrência, afim de que se estabeleça um critério de convergência. Desta forma, a pressão final no poroso é o resultado entre o valor estimado e calculado através de um algoritmo. As temperaturas no adsortivo são corrigidas a cada incremento de tempo. As Pressões foram calculadas através da equação mostrada abaixo em função da temperatura do em ºC. P ,8 0,015. T + 0,0051. T 5,693. T + 1, * T = (4.47) 4.5 MODELO PARA O CONDENSADOR A temperatura da água de resfriamento no condensador é considerada constante. M T m ( T T ) cond. cond. cond.. cpcond.. = LVL + hconv. cond. Acond. água água cond. t t M cond. Massa do condensador (kg); C p.cond. Calor especifico do condensador (J/kg); T cond Temperatura do condensador (K); t m cond. - Variação da massa de adsorbato condensada (kg); L vl Calor latente de condensação do adsorbato(j/kg); h conv.cond Coeficiente de convecção no condensador (W/m.K); A cond.água Área entre o condensador e a água (m ); T água Temperatura da água de resfriamento (K). (4.48)

59 59 Discretizando a equação 4.48 e substituindo m cond. X por. Madsorvente t t tem-se: M t+ 1 t Tcond. Tcond X cond. cpcond.. =. Madsorvente. LVL + hconv. cond. t ( T T ). Acond. água água t t cond. (5.49) 4.6 MODELO PARA O EVAPORADOR No evaporador são realizados dois balanços de energia, um para o adsorbato que está no evaporador e o outro balanço para o fluido que se deseja resfria no caso deste trabalho será água, sendo desprezada a massa metálica do evaporador. Para o adsorbato: Onde: M adsorbato Massa do adsorbato no evaporador (kg); C padsobato Calor específico do adsorbato (J/kg); T adsorbato Temperatura do adsorbato (ºC); M + U adsorbato m adsorbato t - Variação da massa do adsorbato no evaporador (kg/s) L Lv Calor latente de vaporização do adsorbato (kj/kg); adsorbato agua. C adsorbato. amb p. adsorbato. A T. adsorbato. amb adsorbato t.( T amb m = T adsorbato t adsorbato (4.50) U. - Coeficiente de perdas do adsorbato para a água a ser resfriada (W/m. K); U adsorbato. amb - Coeficiente de perdas do adsorbato para o ambiente (W/m. K) ). L LV + U adsorbato. agua. A adsorbato. agua ( T T ). agua adsorbato + Discretizando a equação 4.50 tem-se: M U adsorbato. C adsorbato. agua p. adsorbato. A T. adsorbato. agua t+ 1 adsorbato t t t ( T T ) + U. A.( T T ). agua T t t adsorbato adsorbato m = t+ 1 adsorbato adsorbato. amb m t t adsorbato adsorbato. amb. L LV + amb adsorbto (4.51)

60 60 Para o fluido a ser resfriado: M agua Tagua. cpagua. = Uadsorbatoagua ( Tadsorbato Tagua ) + Uagua. amb. Aagua. amb. ( Tamb. T t. agua ) (4.5) Discretizando tem-se: M + U agua. c p. agua agua. amb. A ( T. t+ 1 agua agua. amb. t ( T T amb. t agua T ) = U t agua ) adsorbatoagua ( T t adsorbato T t agua ) + (4.53) Sendo: M água Massa de água a ser resfriada (kg); C p.água Calor específico da água (J/kg). Quando a temperatura do fluido a ser resfriado atingir a temperatura de solidificação da água, temos formação de gelo, sendo calculado pela equação abaixo (fluido escolhido para ser resfriado foi a água.): mgelo Ls. = Us. Aadsorbatoágua ( Tadsorbato Tagua ) t (4.54) Discretizando temos: m L. s i+ 1 gelo m t i gelo = U. A s adsorbatoagua ( T i adsorbato T i agua ) (4.55) L s Calor latente de solidificação do fluido a ser resfriado (kj/kg); U s Coeficiente de troca de calor entre o gelo e o adsorbato (W/m. K); A adsorbatoafua Área de troca térmica entre o adsorbato e a água a ser resfriada (m ); T adsorbato Temperatura do adsorbato (K); T água Temperatura da água (K).

61 61 Cálculo do COP do sistema de refrigeração solar - Energia retirada do fluido a ser resfriado para evaporar o adsorbato: M evaporada =(X máximo -X minimo ).m adsorvente Q útil =M evaporada.l vl - Energia proveniente do sol que incide sobre a placa absorvedora: Q sol = Total de energia solar em um dia.a c.3,6 (kj) COP=Q útil /Q sol (4.56)

62 6 4.7 ALGORITMO PARA SOLUÇÃO NUMÉRICA DO MODELO DA GELADEIRA SOLAR A seguir é apresentado o algoritmo utilizado para simular um sistema de refrigeração por adsorção. 1 Deve-se fornecer ao programa, os valores iniciais, temperatura do, temperatura ambiente, temperatura da placa absorvedora, temperatura do evaporador, o fator de forma e a área da placa absorvedora; Calcula a pressão de saturação do adsorbato correspondente a temperatura do condensador e a pressão absoluto no ambas pela equação (4.47); 3 Calcula a concentração de adsorbato presente no poroso pela equação de Dubinin-Astakhov equação (4.19); 4 Nesta fase é calculada a temperatura do, equação (4.46), Pressão absoluta do equação (4.47), radiação solar equação (4.43), coeficiente total de perdas térmicas no coletor equação (4.6) e o calor de sorção equação (4.1), isostéricamente até que a pressão do seja igual à pressão de saturação do adsorbato a temperatura do condensador. Um processo iterativo entre a pressão do chutado e a pressão calculada até que P exp ln ( P ) ( P P ) chute P X ln W0. ρ + ; i 1 DT. i+ 1 = s + 0,01, sendo a pressão obtida por: 5 Quando a pressão do é igual à pressão de saturação do adsorbato à temperatura do condensador, inicia-se o processo de dessorção onde é calculada a concentração do adsorbato no equação (4.19) e a massa acumulada no condensador equação (4.49) até que o coletor solar atinja a temperatura máxima por volta das 1:30 h:min. 6 Quando a pressão do poroso for igual à pressão do evaporador inicia-se o processo de adsorção, produzindo o efeito frigorífico, sendo calculada a temperatura do evaporador e do fluido a ser resfriado pelas equações respectivamente (4.51) e (4.53). 7 Se a temperatura do fluido a ser resfriado for menor que sua temperatura de congelamento calcular a massa de gelo formada equação (4.55); 8 Calculo do coeficiente de desempenho do sistema de refrigeração solar equação (4.56).

63 CAPÍTULO V COLETOR SOLAR TUBULAR 5. ALTERAÇÕES NO LEITO ADSORTIVO DO COLETOR SOLAR PLANO TUBULAR O coletor solar plano tubular existente no LES é composto por uma tela concêntrica que promove o fluxo radial de adsorção, tendo como objetivo facilitar o escoamento do adsorbato, que entra por uma das extremidades, durante os períodos de adsorção e dessorção no poroso. No entanto este trabalho de dissertação propõe a retirada desta tela, pois sem ela é possível ter uma maior quantidade de adsorvente dentro de cada tubo que compõe o coletor/reator. Resultados experimentais são apresentados comparando os dois tipos de colunas adsortivas, comparação esta feita através das temperaturas de adsorção e massa de adsorbato adsorvido ao longo de cada coluna. 5.1 PROCEDIMENTO Foram construídos dois reatores de cobre com 1 m de comprimento e 0,04 m de diâmetro externo, sendo um com uma tela concêntrica de 0,01 m de diâmetro. O adsorbato utilizado foi a água pura deionizada e o adsorvente a sílica gel. Em cada reator foram colocados cinco sensores de temperatura com a finalidade de verificar se ocorria o fenômeno adsortivo em toda a coluna, assim distribuído, 5º sensor a 5 cm da entrada do adsorbato, o 4º,3º e o º a,5 cm de distância entre eles e o 1º sensor a 5 cm de distância da outra extremidade conforme Figura 5.1. A verificação da aferição dos

64 64 sensores foi efetuada comparando os valores com o indicado por um termômetro de mercúrio em um recipiente com água. A sílica gel era colocada em estufa a 10 ºC por um período de no mínimo de 4 h sempre que estava saturada, após regeneração era recolocada dentro do reator imediatamente quando retirada da estufa, e esperava-se resfriar até a temperatura ambiente momento em que era pesada. O reator é acoplado a um recipiente cilíndrico de latão com uma válvula para controlar a passagem do adsorbato, onde está mergulhado em um considerável volume d água (cilindro de latão), com a finalidade de manter a temperatura constante, pois no processo de adsorção, o adsorbato irá se evaporar provocando a diminuição da temperatura dentro do cilindro de latão, e conseqüentemente a diminuição da pressão. É utilizada uma bomba de vácuo para retirar todo o ar que esteja contido dentro do poroso, onde ao final deste processo o estará com uma pressão aproximada de 0,1 kpa enquanto no cilindro acoplado ao reator a pressão é constante correspondente a pressão de saturação do adsorbato, no caso, a pressão de saturação da água a 30 ºC que é de 4,9 kpa. Nesta etapa abri-se a válvula permitindo a passagem do adsorbato para o poroso, as temperaturas foram registradas através do programa catman 4.5, que converte os sinais transmitidos por módulos que estão ligados a um computador sendo registradas temperaturas a cada s. A massa do reator foi medida utilizando uma balança digital com capacidade para 30 Kg e medi uma massa mínima de 5 g. A massa era registrada a cada hora, em um período de 6 horas, verificando assim a evolução adsortiva de ambos os reatores. Figura 5.1 Esquema do protótipo do reator tubular

65 65 Controlador Recipiente com água Figura 5. Controlador de temperatura d água. A Figura 5. mostra o controlador de corrente elétrica e o recipiente com água onde está mergulhado um cilindro de latão com o adsorbato em seu interior (ver Figura 5.3). O controlador de corrente elétrica permite interromper, a passagem da corrente elétrica através da resistência quando a temperatura da água passa dos 30 ºC, e volta permitir a passagem da corrente elétrica quando a temperatura da água diminui de 30 ºC. Recipiente com adsorbato Figura 5.3 Recipiente com adsorbato de latão.

66 66 Sensor de Platina Medidor de Vácou. Coluna adsortiva Recipiente com adsorbato Mangueira que é ligada à bomba de vácou. Figura 5.4 Medidor de vácuo, sensor de platina, coluna adsortiva. A Figura 5.4 mostra o manovacuometro usado para observar a pressão após fazer vácuo no sistema, a coluna adsortiva e a bomba de vácuo utilizada é apresentado na Figura 5.5 onde a coluna está cheia de adsorvente a sílica-gel. Coluna adsortiva Bomba de Vácuo Figura 5.5 Bomba de vácuo e coluna adsortiva.

67 67 Sensores de Platina Figura Sensores de Platina para medir a temperatura do. Na Figura 5.6 temos os sensores dentro de um tubo de cobre permitindo medir a temperatura dentro da coluna adsortiva através de um poço, os sinais transmitidos pelos sensores são detectados pelos módulos e convertidos através do pc através do programa catman 4.5. (Figura 5.7). PC para aquisição de dados. Modulos spider 8. Balança digital Bel Mark K30. Figura 5.7 Balança digital e módula para aquisição de dados.