MERCOFRIO CONGRESSO DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO

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1 MERCOFRIO CONGRESSO DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO FLUIDOS SECUNDÁRIOS BIFÁSICOS: A INSERÇÃO DA PASTA DE GELO COMO FLUIDO TERMOACUMULADOR EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO Pedro Samuel Gomes Medeiros falecom-pedro@hotmail.com Cleiton Rubens Formiga Barbosa cleiton@ufrnet.br Francisco de Assis Oliveira Fontes franciscofontes@uol.com.br Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Mecânica, Laboratório de Energia R04 Sistemas de Refrigeração com Fluidos Secundários Resumo. O presente trabalho faz uma análise comparativa das propriedades termofísicas da pasta de gelo com fluidos secundários monofásicos convencionais aplicados em sistemas de refrigeração com termoacumulação. A pasta de gelo é um fluido bifásico composto por água, anticongelante e cristais de gelo. Trata-se de uma tecnologia nova que tem mostrado grande potencial energético: além de transportar energia como fluido térmico, possui propriedade termoacumuladora pela presença do gelo, armazenando frio pela energia latente de fusão. Os fluidos monofásicos analisados são soluções de água-nacl e água-propilenoglicol, que também funcionam como fluidos portadores em pasta de gelo. A presença do gelo modifica as propriedades termofísicas das soluções aquosas e algumas dessas propriedades foram avaliadas: massa específica, condutividade térmica e viscosidade dinâmica. Os dados foram obtidos por software simulador. Os resultados mostram que a presença do gelo, na concentração de 10% em massa, proporciona um acréscimo significativo da condutividade térmica e da viscosidade dinâmica, sem expressar mudanças na massa específica. O comportamento reológico da pasta de gelo aliado a sua alta viscosidade requer uma potência maior de bombeamento, fato não significativo, pois, por possuir uma condutividade térmica maior, possibilita uma vazão mássica menor sem a utilização de bombas maiores. Assim, a pasta de gelo garante sua alta potencialidade como fluido secundário em sistemas de termoacumulação, mostrando ser mais eficiente que os fluidos secundários monofásicos. Palavras-chave: Pasta de Gelo, Fluidos Secundários, Propriedades Termofísicas, Termoacumulação 1. INTRODUÇÃO Os fluidos refrigerantes utilizados em processos de refrigeração e climatização trazem consigo preocupações de ordem ambiental e econômica, principalmente em sistemas de grande porte e altas cargas térmicas. Neste último caso, além da inviabilidade do projeto associado aos custos do superdimensionamento do sistema (Dossat, Horan, 2001), tem-se o uso de grandes quantidades de fluido refrigerante, e possíveis vazamentos irão trazer problemas ao meio ambiente (Egolf, 2004). Uma alternativa eficaz é aplicar um sistema de refrigeração por expansão-indireta com termoacumulação, que contribui para uma refrigeração mais eficiente, em sistemas mais compactos, que resulta em e- conomia, flexibilidade de operação e uma redução significativa da quantidade de fluido refrigerante. O processo de termoacumulação permite gerar e armazenar o frio no período noturno: não há cargas térmicas, as tarifas de energias são menores e tem-se uma melhor eficiência do sistema primário de refrigeração. O frio armazenado é usado durante o dia, principalmente nos horários de maior solicitação de carga térmica e picos de energia elétrica (Ashrae, 2008). Um sistema de refrigeração com termoacumulação emprega fluidos térmicos para o transporte do frio do tanque termoacumulador para o local que se deseja a refrigeração, e a seleção desse fluido é de suma importância para a eficiência térmica do processo. A água é conhecida por ter propriedades térmicas e de transporte que satisfazem a sua aplicação como fluido térmico, exceto pelo fato que a maioria dos processos industriais de refrigeração trabalha em temperaturas bem abaixo do

2 seu ponto de fusão (Parise, 2009). Assim, a adição de um agente anticongelante solúvel gera uma solução homogênea capaz de se solidificar a temperaturas inferiores ao ponto de fusão da água pura, formando um fluido secundário. A adição de anticongelantes na água reduz as propriedades termofísicas da solução em relação à água pura: há perdas na condutividade térmica e no calor específico (Ashrae, 2009; Melinder, 2007). Essas perdas ocasionam no fluido uma menor inércia térmica, redução da capacidade de transferir calor e de armazenamento de energia térmica. Uma das alternativas para o armazenamento do frio é a produção de gelo nos tanques. A sua alta densidade de energia térmica associado ao alto calor de fusão torna o gelo um material efetivo para armazenamento de energia térmica, conseguindo reduzir os volumes do armazenamento num fator de 2 a 10 vezes (Martinez, 2005). Outra solução é a aplicação de materiais de mudança de fase (Phase Change Materials PCMs) encapsuladas em tanques termoacumuladores, que permitem armazenar o frio por meio da energia latente de fusão (Guzmán, 2004). Entretanto, tanto o gelo como os PCMs encapsulados ficam restritos aos tanques e eles não são bombeados, o que significa dizer que é necessário um fluido secundário para a ação do transporte do frio do tanque termoacumulador para o meio refrigerado. A idéia de aplicar a energia latente de fusão como um termoacumulador e ainda transportá-lo para transferir energia só é possível a partir de fluidos secundários com mudança de fase, ou seja, fluidos bifásicos. A justificativa essencial em usar um fluido secundário com mudança de fase é aproveitar a vantagem da diferença de entalpia de evaporação ou fusão (Martinez, 2005, p. 28). Dois fluidos propiciam estas condições: CO 2 e Pasta de Gelo. O CO 2 é um gás atóxico e não-inflamável utilizado como fluido refrigerante primário e secundário. Sua aplicação é restrita devido à baixa viscosidade, baixa vazão mássica, e altas pressões de operação (Parise, 2009 apud Kruse, 2000). A principal aplicação do CO 2 é em ciclos transcríticos de refrigeração. A Pasta de Gelo (Ice Slurry) é uma suspensão de cristais de gelo dispersos num fluido portador composto por água e um anticongelante. A concentração em massa de gelo depende da tecnologia empregada na produção da pasta variando normalmente entre 2% a 10%, ou superior (Ashrae, 2008). Suas propriedades termofísicas são em função da geometria e granulometria dos cristais, com um diâmetro médio menor que 1 mm (Egolf, Kauffeld, 2005). O principal atrativo da pasta de gelo é sua alta capacidade de resfriamento, resultando na redução do tamanho do tanque termoacumulador, da vazão mássica em trocadores de calor e do diâmetro dos tubos (Melinder, 2007). Por ser um tema relativamente novo, há diversas pesquisas analisando suas características. Este estudo visa avaliar as propriedades termofísicas da pasta de gelo para aplicações comerciais em processos de refrigeração com termoacumulação em comparação aos fluidos secundários monofásicos convencionais. 2. METODOLOGIA Para a realização deste trabalho, os dados referentes às propriedades termofísicas dos fluidos secundários foram obtidos a partir do SecCool, um programa desenvolvido pelo Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade da Dinamarca, que contém uma biblioteca com as propriedades termofísicas de fluidos secundários baseado principalmente nos parâmetros experimentais da ASHRAE, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, e de Ake Melinder, pesquisador do Departamento de Tecnologias de Energia do Royal Institute of Technology da Suécia. Para efeito comparativo, as pastas de gelo (fluido bifásico) foram relacionadas com fluidos monofásicos convencionais, quantificando percentualmente a diferença entre suas propriedades. Os fluidos secundários monofásicos analisados são as soluções água-nacl (cloreto de sódio) e águapropilenoglicol, nas concentrações em massa do soluto de 20% e 35% respectivamente. As pastas de gelo estudadas são as soluções monofásicas anteriormente citadas com gelo adicionado no teor de 10% em massa.

3 As propriedades termofísicas examinadas nas amostras são: massa específica (propriedade termodinâmica), condutividade térmica e viscosidade dinâmica (propriedade de transporte). Essas propriedades se referem à quantidade de fluido ocupado no tanque, sua capacidade de transferir calor e sua resistência ao escoamento. A temperatura de análise das propriedades para todas as amostras é de -16,5 C, correspondente a temperatura em que a pasta de gelo tende a se solidificar para o valor citado em função da concentração do aditivo. Essa temperatura de análise está dentro dos valores praticados em sistemas de termoacumulação de frio. A seleção do cloreto de sódio e propilenoglicol como agentes anticongelantes é justificada pela grande aplicação comercial destes produtos. O cloreto de sódio é um sal e usado largamente como aditivo por possuir boas propriedades anticongelantes, apesar de ser corrosivo. O propilenoglicol (propano-1,2-diol) é um álcool glicol atóxico, com ponto de fusão a -59 C e de baixa pressão de vapor, o que favorece sua aplicação como anticongelante, além de ser uma alternativa ao uso do etilenoglicol que é um álcool glicol tóxico (Fink, 2003). Com esses dados, tabelas e gráficos foram construídos para verificar e explorar a interferência do gelo nos fluidos monofásicos. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A partir dos dados obtidos no programa SecCool, é mostrado na tabela 1 os valores numéricos das propriedades termofísicas dos fluidos analisados: Tabela 1. Propriedades Termofísicas dos fluidos monofásicos e das pastas de gelo Propriedades Termofísicas Amostra Massa Específica (kg/m³) Condutividade Térmica (W/m.K) Viscosidade Dinâmica (cp) Água-NaCl 1163,1 0,5217 4,97 Pasta de gelo-nacl 1132,5 0,6330 7,13 Água-Prop. glicol 1042,4 0, ,74 Pasta de gelo-prop. glicol 1027,9 0, ,44 Com base desses dados, a tabela 2 apresenta a diferença percentual das propriedades termofísicas das pastas de gelo comparadas aos fluidos monofásicos, onde estão agrupados segundo o tipo do fluido portador, ou seja, do aditivo utilizado como anticongelante: Tabela 2. Diferença Percentual entre a Pasta de Gelo e fluidos convencionais Propriedades Termofísicas Relação Massa Específica (%) Condutividade Térmica (%) Viscosidade Dinâmica (%) Pasta de gelo / Água-NaCl -2,63 21,33 43,69 Pasta de gelo / Água-Prop. glicol -1,39 22,53 28,80 Por meio destas tabelas, cada propriedade foi analisada separadamente em função do soluto anticongelante empregado na solução: 3.1 Massa Específica A massa específica é definida como a quantidade de massa existente numa unidade de volume. É desejável que fluidos secundários tenham uma massa específica a mais alta possível, pois, além

4 de diminuir o tamanho dos tanques termoacumuladores, apresenta propriedades de transmissão de calor mais eficiente, quando se trata da propriedade de difusividade térmica. Os fluidos monofásicos apresentam massa específica maior que a da água porque os solutos, por serem mais densos, tornam os fluidos com maior massa específica. A figura 1 mostra graficamente os valores da massa específica das soluções monofásicas e bifásicas. Massa Específica (kg/m³) Água-NaCl Pasta de gelo- NaCl Água-Prop. glicol Pasta de gelo- Prop. glicol Figura 1 Massa específica das soluções monofásicas e bifásicas A presença do gelo nos fluidos monofásicos, mesmo em tamanho microscópico e em pequenas quantidades, altera a massa específica da solução. Isso porque o gelo possui uma massa específica de 921 kg/m³ a 273 K (Çengel, Boles, 2006), ou seja, menos denso que a água pura (1000 kg/m³). Como pode ser visto nas tabelas 1 e 2, a massa específica das pastas de gelo é menor que a dos fluidos monofásicos. Porém, a adição de 10% em massa de gelo não modificou de forma expressiva os valores: a massa específica das soluções bifásicas foi reduzida 2,63% para a solução água-naclgelo, e 1,39% para a água-propilenoglicol-gelo. Assim, como não houve alterações significativas na massa específica com a adição do gelo, os tanques termoacumuladores não sofrem modificações nos seus tamanhos para a mesma quantidade de massa dos fluidos. 3.2 Condutividade Térmica A condutividade térmica é uma propriedade de transporte característica de cada substância, que indica a taxa com qual um dado material pode transportar energia sob condições determinadas de geometria e temperatura. O mecanismo de transferência de calor num sólido é bem definido e ocorre por meio de vibrações na sua estrutura cristalina e, no caso de metais, complementa-se pela movimentação dos elétrons livres presentes na rede; enquanto que o mecanismo de troca térmica em substâncias líquidas é semelhante aos dos gases, ou seja, por colisões moleculares e difusão molecular (Çengel, 2007). Neste estudo são analisados fluidos secundários monofásicos e bifásicos, em que os mecanismos envolvidos na transmissão de calor são diferentes: para fluidos monofásicos, a transmissão se dá por troca de calor sensível até que se atinja o ponto de fusão ou de ebulição do fluido; na pasta de gelo há trocas de calor sensível e latente simultaneamente no fluido, caracterizando-se como uma transferência de calor num sistema multifásico, ou seja, com fase líquida (água-anticongelante) e fase sólida (gelo). O calor latente absorvido pelos cristais de gelo é superior ao calor sensível absorvido pela solução água-anticongelante e é proporcional a massa de gelo na solução. A condutividade térmica do gelo a 0 C é 1,88 W/m.K e a -20 C é 2,03 W/m.K (Çengel, 2007); a água pura a 0 C possui uma

5 condutividade térmica de 0,561 W/m.K e os fluidos monofásicos água-nacl e água-propilenoglicol tem uma condutividade de 0,5217 W/m.K e 0,3959 W/m.K respectivamente. Isso mostra porque a adição do gelo nos fluidos monofásicos aumentou consideravelmente a condutividade térmica das amostras, com um incremento de 21,33% e 22,53% para água-nacl-gelo e água-propilenoglicolgelo, respectivamente. A figura 2 exibe graficamente os valores das condutividades térmicas dos fluidos monofásicos e bifásicos: Outro fator relevante para o acréscimo da condutividade térmica em pastas de gelo é área maior de troca térmica pelos cristais de gelo. A condutividade da solução bifásica está relacionada com as finas partículas de gelo dispersas no fluido portador e é função do seu respectivo tamanho (Ticona, 2007). Portanto, a propriedade de condutividade térmica da pasta de gelo está associada aos cristais, pois o calor latente de fusão e a maior área de troca de calor são fatores determinantes para uma eficiência maior na transmissão de calor, comparativamente aos fluidos monofásicos convencionais. Condutividade Térmica (W/m.K) 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Água-NaCl Pasta de gelo-nacl Água-Prop. glicol Pasta de gelo-prop. glicol 3.3 Viscosidade Dinâmica Figura 2 Condutividade Térmica dos fluidos monofásicos e bifásicos A viscosidade dinâmica é uma propriedade de transporte relacionada com a resistência interna do fluido ao escoamento, causada por forças coesivas existentes entre as moléculas do fluido (Çengel, Cimbala, 2007). Assim como foi analisado no tópico condutividade térmica, a pasta de gelo é analisada como um sistema multifásico, tendo um comportamento diferente dos fluidos monofásicos quando submetidos ao escoamento. Diferentemente dos fluidos monofásicos, fluidos multifásicos requer maiores velocidades de escoamento principalmente para sustentar as partículas sólidas em suspensão. O escoamento de um fluido monofásico é homogêneo para todas as velocidades impostas, diferentemente de fluidos multifásicos que têm comportamento heterogêneo, podendo exibir propriedades reológicas de fluidos não-newtonianos (Crowe, 2006). A pasta de gelo é um fluido não-newtoniano e é tratado reologicamente como um fluido viscoplástico estável (Niezgoda-Zelasko, Zelasko, 2009). Sistemas monofásicos se comportam como um fluido Newtoniano, com a viscosidade dinâmica constante para dada pressão e temperatura. Sistemas multifásicos não possuem uma viscosidade dinâmica constante, ou seja, não há uma relação

6 constante entre a tensão cisalhante e a taxa de cisalhamento, além de considerar a temperatura e a pressão para determinação da viscosidade do fluido multifásico (Machado, 2002). Nesta análise, é considerada que as condições de pressão são as mesmas para todos os fluidos. A viscosidade dinâmica das pastas de gelo é analisada considerando que as pastas se comportam como um fluido Newtoniano. Verificando as tabelas 1 e 2, percebe-se que a viscosidade das pastas de gelo é maior que a dos fluidos monofásicos, onde os incrementos são de 43,69% para o fluido água-nacl-gelo e 28,80% para a solução água-propilenoglicol-gelo. A figura 3 apresenta o gráfico com as viscosidades dinâmicas dos fluidos secundários estudados. Esses incrementos são consideráveis, principalmente para a pasta que utiliza o cloreto de sódio como anticongelante. Os elevados aumentos da viscosidade das pastas estão relacionados à granulometria e geometria dos cristais de gelo e suas interações com os aditivos anticongelantes. Apesar de serem cristais microscópicos, eles influenciam diretamente na viscosidade e na dificuldade de bombeamento. Logo, pode-se afirmar que para as mesmas condições de escoamento dos fluidos monofásicos e bifásicos, a pasta de gelo necessita de uma maior potência de bombeamento em relação aos fluidos monofásicos. Isso é justificado pela a alta viscosidade que a pasta possui, concomitantemente às maiores velocidades de escoamento. Viscosidade Dinâmica (cp) Água-NaCl Pasta de gelo- NaCl Água-Prop. glicol Pasta de gelo- Prop. glicol Figura 3 Viscosidade Dinâmica dos fluidos secundários analisados 4. CONCLUSÕES Após a análise comparativa dos fluidos secundários monofásicos convencionais e pastas de gelo, é possível fazer várias conclusões a respeito das propriedades termofísicas desses fluidos, onde as mesmas exprimem diversas características para um uso mais eficiente em processos de transferência de calor. A massa específica da pasta de gelo é um pouco menor que a dos fluidos monofásicos, por causa do gelo que é menos denso que a água. A redução não é significativa e não há interferências na eficiência térmica e nas características construtivas dos tanques de armazenamento do processo de refrigeração. A presença do gelo como material de mudança de fase nos fluidos bifásicos proporciona acúmulo de energia térmica por meio do calor latente de fusão, que garante também uma condutividade térmica maior quando comparada aos fluidos monofásicos. Os cristais microscópicos oferecem uma maior área de troca de calor, aumentando mais ainda o poder de transferir energia.

7 Por ser um fluido bifásico, a pasta de gelo possui características peculiares no seu escoamento, diferentemente dos fluidos monofásicos que são fluidos Newtonianos, principalmente por exibir uma viscosidade bem maior e variável, dada às condições de temperatura e pressão. Os fenômenos reológicos da pasta são justificados pela presença do gelo que altera todas as condições de escoamento, requerendo maiores fluxos. Do ponto de vista energético, a pasta de gelo é superior aos fluidos monofásicos. Considerando as mesmas condições para os mesmos efeitos de refrigeração, a vazão mássica da pasta é menor, resultando em menores potências de bombeamento e em tubulações de menor diâmetro. O seu efeito termoacumulador é superior, que proporciona um uso mais racional e eficiente de energia com menores quantidades de fluido em tanques menores. Ainda que necessite de maiores velocidades de escoamento e por possuir uma viscosidade maior, o sistema de refrigeração não requer bombas de maior potência, principalmente pela menor vazão do fluido. De uma forma geral, a pasta de gelo apresenta melhores propriedades e características em relação aos fluidos monofásicos convencionais que justifica o seu pleno uso como fluido secundário, apesar de ser uma tecnologia nova e pouco conhecida. O principal atrativo são as reduções dos custos de instalação e manutenção de sistemas de refrigeração e climatização de grande porte com termoacumulação. 5. REFERÊNCIAS Ashrae, 2009, Fundamentals Handbook. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning, Atlanta., 2008, HVAC Systems and Equipment. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning, Atlanta. Çengel, Y. A., 2007, Heat and Mass Transfer: A Practical Approach. 3rd edition. McGraw-Hill, New York. Çengel, Y. A., Boles, M. A., 2006, Thermodynamics: An Engineering Approach. 6th edition, McGraw-Hill, New York. Çengel, Y. A., Cimbala, J. M., 2007, Fluids Mechanics: Fundamentals and Applications. McGraw- Hill, New York. Crowe, C. T. (editor), 2006, Multiphase Flow Handbook. CRC Press, Boca Raton. Dossat, R. J., Horan, T. J., 2002, Principles of Refrigeration. 5th edition. Prentice Hall, New Jersey. Egolf, P. W., 2004, Ice Slurry: a promising technology. International Institute of Refrigeration, July, pp Egolf, P. W., Kauffeld, M., 2005, From physical properties of ice slurries to industrial ice slurry applications. International Journal of Refrigeration, vol. 28, pp Fink, J. K., 2003, Oil Field Chemical. Gulf Professional Publishing, Burlington. Kitanovski, A, et al., 2005, The Fluid Dynamics of Ice Slurry. International Journal of Refrigeration, vol. 28, pp Machado, J. C. V., 2002, Reologia e Escoamento de Fluidos. Interciência, Rio de Janeiro. Martinez, L. C. C., 2005, Determinação Experimental dos Coeficientes de Transporte da Pasta de Gelo em Trocadores de Calor de Placas. M.Sc. Thesis, Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janeiro. Melinder, A., 2007, Thermophysical Properties of Aqueous Solution Used as Secondary Working Fluids. Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm. Naterer, G. F., 2003, Heat Transfer in Single and Multiphase Systems. CRC Press, Boca Raton. Niezgoda-Zelasko, B., Zelasko, J., 2009, Generalized Non-Newtonian Heat Exchange Flow of Ice Slurry in Pipes. Chemical and Process Engineering, n. 30, pp Parise, J. A. R., 2009, Novas tendências da utilização de fluidos secundários em sistemas de refrigeração e de condicionamento de ar. Seminário Difusão do Uso de Refrigerantes Alternativos em Sistemas de Refrigeração e Ar-condicionado, 28 de maio, Recife.

8 Pruzaesky, F. C., et al., 2008, Pasta de gelo e nanofluidos em sistemas de refrigeração. Climatização e Refrigeração, edição n. 96, pp Skovrup, M. J., 2005, SecCool Properties: users manual. IPU & Department of Mechanical Engineering Technical University of Denmark, Lyngby. Ticona, E. M., 2007, Determinação Experimental das Características de Transferência de Calor de um Gerador de Pasta de Gelo. Ph.D. Thesis, Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janeiro. TWO-PHASE SECONDARY FLUIDS: THE INSERTION OF ICE SLURRY AS THERMAL STORAGE FLUID IN REFRIGERATION SYSTEMS Abstract. This paper makes a comparative analysis of the thermophysical properties of ice slurry with conventional single-phase secondary fluids, used in refrigeration systems with cool thermal storage. The ice slurry is a two-phase fluid consisting by water, antifreeze and ice crystals. It is a new technology that has shown great energy potential: beside transport energy as a heat transfer fluid, it has thermal storage property through the ice presence, storing cool by latent energy of fusion. The single-phase fluids analyzed are solutions water-nacl and water-propylene glycol, which also operate as carrier fluid in ice slurry. The ice presence changes thermophysical properties of aqueous solutions and some of these properties were determined: density, thermal conductivity and dynamic viscosity. Data were obtained by software simulation. The results show that the ice presence, at concentration of 10% weight, provides a significant increase in thermal conductivity and dynamic viscosity, without expressing changes in density. The ice slurry rheological behavior associated with its high viscosity requires a higher pumping power, which was not significant because, by having a higher thermal conductivity, allows a lower mass flow rate without the use of larger pumps. Thus, the ice slurry ensures its high potential as a secondary fluid in cool thermal storage systems, showing to be more efficient than single-phase secondary fluids. Keywords: Ice Slurry, Secondary Fluids, Thermophysical Properties, Cool Thermal Storage