Capítulo 1 1. Figura Ciclo de absorção acionado pelo calor de rejeito do motor de combustão interna.

Transcrição

1 Capítulo Introdução Este estudo experimental descreve a adaptação e modificação de uma unidade de refrigeração por absorção, transformando-a num aparato para investigação e coleta de dados. Estuda-se o desempenho de um sistema de refrigeração por absorção de vapor de amônia e água (SRA), tendo como fonte de calor, fluxo de gases quentes, provenientes do rejeito de um processo industrial ou da exaustão de um motor de combustão interna, como mostrado na Figura 1-1. Figura Ciclo de absorção acionado pelo calor de rejeito do motor de combustão interna. O aparato experimental em questão funciona por resistência elétrica de potência variável. O seu desempenho é comparado com o funcionamento do mesmo ciclo tendo como fonte de calor um soprador térmico, operando com e sem regeneração do calor.

2 Capítulo 1 2 Pretende-se com a comparação anterior (resistência elétrica, soprador térmico, com e sem regenerador) demonstrar que o sistema de escape dos gases de descarga de um motor de combustão interna direcionados ao aquecimento do gerador, o tubo bomba do sistema de refrigeração por absorção, pode produzir as mesmas características de funcionamento do ciclo de absorção funcionando a resistência elétrica. Observa-se também que, com um estudo e projeto cuidadoso, o acoplamento do gerador do sistema ao duto de escape do motor do veículo não prejudica o desempenho da unidade de propulsão (como aumento da perda de carga na descarga, reduzindo a admissão de ar no motor). Pode-se, assim, construir o sistema com tamanho reduzido, obtendo uma menor massa embarcada e consumo de potência mecânica para mover o compressor. 1.1 Motivação e Justificativa A motivação deste estudo é demonstrar a viabilidade termodinâmica da utilização de um equipamento de refrigeração por absorção, em substituição ao ar condicionado convencional, que funciona por compressão de vapor. Atualmente, com o avanço da tecnologia, busca-se maximizar o aproveitamento de energia disponível, com o menor custo possível de aquisição. O interesse crescente neste campo se deve à busca de soluções dos sérios problemas relacionados ao fornecimento de energia. A cogeração é uma área de pesquisa não só em voga, mas extremamente atrativa, motivando a realização de um trabalho experimental com um ciclo de absorção gerenciado por outra fonte de energia. Objetiva-se sua viabilidade termo-mecânica com o aproveitamento de calor de rejeito, e se propõe o retorno da construção, em larga escala dos ciclos de refrigeração por absorção. Deve-se mencionar que, apesar do coeficiente de desempenho térmico encontrado, COP Térmico ou COP de Carnot, apresentarem um valor expressivamente baixo, torna-se oportuno lembrar que, além da metodologia de cálculo ser diferente, a fonte energética é gratuita e, atualmente, desprezada, visto que os gases de descarga do motor de combustão interna são direcionados para a atmosfera. Este estudo, resumidamente, é uma investigação experimental para o uso de refrigeração por absorção, podendo ser aplicado em veículos automotores,

3 Capítulo 1 3 que podem usar o calor de rejeito dos gases de exaustão, como a fonte geradora principal de energia térmica. Isto seria uma alternativa para substituir o sistema convencional de refrigeração por compressão de vapor, acionado mecanicamente pelo compressor, através de um conjunto de engrenagens, polias e correias ou com um motor exclusivo para este fim, como nos casos de alguns ônibus ou caminhões frigoríficos (Horuz, 1999). Vários fatores apontam favoravelmente pela utilização do ciclo de refrigeração por absorção, como redução de combustível, custo operacional, custo aplicativo e o reduzido impacto ao meio ambiente. Uma sugestão importante sobre os custos de implantação deve ser feita, já que o sistema de absorção tem um custo não só de material, mas também de operação bem mais reduzido que o de compressão. Deve-se observar, também, que possíveis vazamentos, tanto da substância absorvente (água) quanto do refrigerante (amônia), não atacam o meio ambiente, seja destruindo a camada de ozônio ou contribuindo para o efeito estufa, como ocorre com os gases à base de CFC e os R134a (Tyagi, 1988). 1.2 Breve Histórico Um breve histórico, por Radermarcher e Antoniolli (2001), é apresentado a seguir. Em 1777, a refrigeração por absorção foi idealizada por Nairn, muito embora o primeiro refrigerador comercial usando absorção só tenha sido construído em 1823 por Ferdinand Carré (Costa, 1996). Em 1860, Ferdinand Carré requereu patente do ciclo de refrigeração por absorção, nos EUA. Foi, provavelmente, a sua primeira aplicação usada pelos Estados Confederados durante a guerra civil americana, já que os Estados do Norte haviam cortado o fornecimento de gelo natural para o sul (Stoecker e Jones, 1985). A primeira máquina a funcionar de forma intermitente foi feita na Inglaterra por John Leslie em Assim que as máquinas por compressão utilizando motores elétricos foram desenvolvidas por volta de 1915, as máquinas de absorção foram gradualmente sendo esquecidas e relegadas a segundo plano.

4 Capítulo 1 4 Em 1930, a Arkla construiu uma máquina de absorção de 5 a 20 TR para aplicação em ar condicionado utilizando brometo de lítio e água. Em 1945, Willis Carrier projetou a primeira máquina de refrigeração para produção em escala a LiBr. Em 1958, no Japão, a Kawasaki fabricou a primeira máquina de absorção, e começou a produção em larga escala em Em 1962, surge a Ebara, sendo o maior fabricante nos últimos anos. Em 1964, surge a primeira máquina de duplo efeito fabricada pela Kawasaki. Em 1965, a Ebara é a primeira a ter sistemas combinados, fabricando uma máquina acionada por turbina a vapor e uma de absorção acionada pelos gases da descarga da turbina. Em 1966, a Ebara produz uma máquina para baixas temperaturas, menores que -25 C para 25 TR e 5 C para 440 TR. Em 1968, a Kawasaki lança a primeira máquina de duplo efeito e fogo direto. Em 1970, a Mitsubishi-York instalou um sistema de cogeração administrando energia em Tokyo, utilizando uma máquina de refrigeração centrifuga acionada por turbina a gás, e os gases de descarga acionando um boiler de absorção. Em 1971, a Ebara produz a primeira máquina de simples efeito com bomba de calor acoplado e em 1974, produz a primeira máquina de duplo efeito usada em bomba de calor. Em 1977, a Hitachi constroe uma máquina de 1500 TR de fogo direto. Em 1978, a Ebara e a Kawasaki num consórcio, chegam a 30% de melhoria de eficiência para máquina de fogo direto. Em 1979, a Ebara fabrica em escala máquinas de fogo direto de 40 a 75 TR. Em 1980, a Hitachi projeta uma máquina de 200 TR acionada por energia solar. Em 1980, a Yazaki Sogio e Tokyo Sanyo projetam máquinas de absorção de duplo efeito de 20 a 30 TR. Em 1987, Tokyo Sanyo e Ebara iniciam a nova era de equipamentos inteligentes e acionados por micro processamento.

5 Capítulo Revisão Bibliográfica Vários trabalhos podem ser encontrados na literatura atual disponível, a respeito de ciclos de refrigeração por absorção e sua eventual aplicação a motores térmicos: Barger et al. (1969) demonstraram a liberação de calor e porcentagem energética, suas temperaturas, vazões e velocidades nos tubos de descarga dos motores, de acordo com o tipo de combustível usado, regime de funcionamento, tipo de operação e tipo de máquina e implemento agrícola de arrasto. Taylor (1987), em estudo sobre motores a combustão interna, apresenta dados sobre os gases de descarga, suas temperaturas e vazões de acordo com o regime de funcionamento e potência durante testes em bancos de prova e condições normais de funcionamento. Estuda também, o ciclo de resfriamento do motor, incluindo, a água dos trocadores de calor (radiador), temperaturas e vazões tanto nos dutos (mangueiras), quanto na própria bomba d água. Tyagi (1988) faz menção ao uso de refrigerantes de baixa pressão, amônia e água, que são fluidos da classe natural e não atacam a camada de ozônio. Pereira e Martins (1990) obtém resultados experimentais com a construção otimizada de um fogão a lenha de alvenaria. Estudaram os efeitos no rendimento térmico, tipo de madeira utilizada para lenha. Em paralelo, estudaram a conjugação entre o fogão e um refrigerador por absorção, onde foi adaptado, junto ao queimador, um tubo sifão devidamente pressurisado, levando vapor de água a alta pressão para um trocador de calor que aquecia o boiler do refrigerador de absorção. Resultados satisfatórios foram obtidos. Riffat e Wong (1994) analisam a termodinâmica do aproveitamento do calor de rejeito de máquinas operando com recompressão de vapor. Costa (1997) apresenta um estudo experimental sobre o uso de refrigeração por absorção em motores de embarcações a regime constante de rotações. Observaram, para os casos estudados, um super dimensionamento, dado que há grande quantidade de energia disponível, tanto para o aquecimento de águas quanto para a refrigeração de recintos, resultando em mais um caso de cogeração bem aplicado.

6 Capítulo 1 6 Milanes (1997) determina os aprimoramentos que devem ser feitos, em um sistema de refrigeração por absorção, para a fabricação de gelo, em regiões rurais não providas de energia elétrica. Teixeira (1997) refere-se à produção de frio via chillers de absorção, sendo empregado o calor gerado por motores diesel ou turbinas a gás empregados na geração de energia elétrica, assim como sistemas de cogeração. Gallego (1998) obteve resultados de viabilidade econômica de um sistema de refrigeração por absorção, funcionando a partir da utilização dos gases de descarga de uma turbina de geração de energia elétrica. Andrade (1999) investigou a transferência do excedente de calor do vapor das caldeiras da usina, para energizar um sistema de refrigeração por absorção, com o intuito de manter constante e controlada a temperatura de fermentação do álcool combustível. Horuz (1999) relata um estudo experimental de um ciclo de refrigeração por absorção, funcionando através da liberação dos gases de descarga de um motor Ford 150 Dover de 6 litros, diesel e turbo alimentado, que é usado no Laboratório de Sistemas de Energia Elétrica da Universidade de Strathclyde. Silvério (1999) apresenta uma simulação numérica de uma máquina por absorção para a fabricação de gelo, operando em regime permanente. Sugere ser uma ferramenta adequada para análise e posterior aperfeiçoamento de um sistema de absorção. Zukowski Júnior (1999) propõe a utilização da refrigeração por absorção como alternativa, sugerindo que seja a metodologia de cálculo da eficiência exergética e o COP, em máquinas de absorção para a produção de gelo. Radermarcher e Antoniolli (2001) relatam o histórico da refrigeração por absorção. Lima et al. (2002) trabalharam com um ciclo de refrigeração por absorção (Electrolux sem bomba) idêntico ao utilizado no presente trabalho. Ao contrário de resistência ou soprador elétricos, obtiveram o próprio gás de escape de um motor a combustão interna, operando sem carga. A utilização de um regenerador (matriz metálica), para atenuar as variações de potência da fonte de calor, conforme estudado no presente trabalho, foi originalmente proposta por Lima et al (2002). Reis e Silveira (2002) calculam a eficiência termo-mecânica ao consorciar o sistema de refrigeração por absorção, gerenciado pelos gases de descarga de um motor estacionário Chevrolet (Corsa), funcionando a gás GLP, obtendo dados energéticos e exergéticos do conjunto.

7 Capítulo Contribuição do Presente Trabalho A partir da redução na produção, e na totalidade, dos refrigerantes halogenados, exigida pelo Protocolo de Montreal, em setembro de 1987, e da solicitação da parada de fabricação até o final de 1999, feita pela conferência de Londres em 1991, está se fazendo necessário a substituição dos refrigerantes halogenados e clorofluorcarbonados (CFC), por outros que não causem danos à camada de ozônio, como a amônia usada nos ciclos de baixa pressão. Há, então, a necessidade de se fazer vários estudos do comportamento destes fluidos com os componentes do sistema de refrigeração, nos quais se incluem os dispositivos do ciclo de refrigeração por absorção. A proposta deste trabalho é (1) estudar novas formas de gerenciar energia térmica, suficiente para colocar o ciclo de refrigeração por absorção em pleno funcionamento; (2) avaliar o desempenho de equipamentos e acessórios ainda não testados, e (3) disponibilizar novos dados experimentais para estudos futuros. Estuda-se, também, a viabilidade técnica de colocá-lo a contento funcionamento, aproveitando os rejeitos energéticos de qualquer processo industrial onde ocorra liberação de energia na forma de calor, ou de um motor de combustão interna, através dos gases de escapamento ou pela água de refrigeração. 1.5 Organização do Trabalho Esta dissertação está dividida em quatro capítulos, divididos da seguinte maneira: No capítulo 2 é feita a descrição do funcionamento do ciclo de absorção, assim como de procedimento experimental. No capítulo 3 são apresentados e comentados os resultados experimentais da operação com resistência elétrica, com soprador de ar quente (sem e com regenerador). No capítulo 4 é apresentada a conclusão, onde são mencionados ajustes e melhorias como sugestão para trabalhos futuros.