SIMULAÇÃO DA PERFORMANCE DE UM REFRIGERADOR INDUSTRIAL FUNCIONANDO COM AMÔNIA (R717) EM UM CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE COMPRESSÃO EM DOIS ESTÁGIOS
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- Matilde Álvares Candal
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1 SIMULAÇÃO DA PERFORMANCE DE UM REFRIGERADOR INDUSTRIAL FUNCIONANDO COM AMÔNIA (R717) EM UM CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE COMPRESSÃO EM DOIS ESTÁGIOS Nome do primeiro autor, 1 (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Nome do segundo autor, 1 (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Nome do terceiro autor, 1 (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Nome do quarto autor, 1 (Times New Roman, negrito, tamanho 10) (espaço simples entre linhas, tamanho 10) 1 Nome da instituição, endereço para correspondência, (Times New Roman, tamanho 10) Mesmo formato para outros autores e instituições, se houver. (espaço duplo entre linhas, tamanho 10) (CONEM ) Resumo: Um dos principais problemas da refrigeração, atualmente, é o fato de a grande maioria dos fluidos refrigerantes usuais ser nocivo ao meio ambiente, quer seja por agredir a camada de ozônio ou seja por contribuir para o efeito estufa. A amônia se apresenta como sendo o único refrigerante natural ecologicamente correto. Seus principais problemas são o fato de apresentar alta toxicidade e de se tornar explosiva em altas concentrações. O ciclo de compressão de vapor é bastante difundido em aplicações de refrigeração e condicionamento de ar. Uma de suas variações é o ciclo com compressão em múltiplos estágios com separação de líquido, ou câmara de flash. Este trabalho apresenta a realização de várias simulações utilizando o software de simulação de sistemas de refrigeração CoolPack, que apresenta licença livre. As simulações foram realizadas considerando-se um ciclo de refrigeração por compressão de vapor com compressão em dois estágios e com câmara de flash. Foi definido um ciclo padrão (ideal) para a análise, e, partir deste, comparam-se o efeito de diferentes variáveis sobre a performance do sistema de refrigeração, tendo fixadas as temperaturas de evaporação e condensação. As variáveis comparadas são: o grau de sub-resfriamento do refrigerante na saída do condensador; o grau de superaquecimento do refrigerante na saída do evaporador; a pressão intermediária do ciclo; a eficiência isentrópica dos compressores; e as perdas de pressão nos trocadores de calor. Para cada uma dessas variações é comparada o COP, as transferências de calor específicas nos trocadores de calor e os trabalhos específicos dos compressores nos estágios de alta e de baixa da amônia com os de outro fluido refrigerante bastante usado industrialmente. Todos os resultados são discutidos e apresentados graficamente e em tabelas, incluindo gráficos de pressão versus entalpia e gráficos de comparação das variáveis analisadas. Palavras-chave: refrigeração industrial, amônia, ciclo de refrigeração, compressão em dois estágios, coeficiente de performance 1. INTRODUÇÃO O ciclo de compressão a vapor é um ciclo térmico que permite a aplicação em sistemas de ar condicionado e refrigeração. A refrigeração por compressão é muito utilizada em diversas aplicações como residências, comércios, transportes, etc. O seu princípio de funcionamento objetiva, como qualquer sistema de refrigeração, a retirada de calor de um recinto fechado e o transporte para o exterior, produzindo assim o efeito desejado tal como congelamento ou resfriamento (Fernandes 2006). A amônia é um fluido refrigerante com boas características termodinâmicas, não prejudicial ao meio ambiente e está ganhando importância no cenário atual. Muito utilizada no passado, a amônia nunca esteve totalmente fora de uso no meio industrial, apesar de ter perdido espaço com a introdução dos clorofluorcarbonos (CFCs) no início dos anos 30. Atualmente, em virtude de suas propriedades termodinâmicas, assim como pelo fato de ser barata, eficiente e segura, se utilizada com as devidas precauções, tem se tornado a grande opção em termos de agente refrigerante, conquistando gradualmente novos nichos de mercado. Segundo Çengel e Boles (2006), uma das maneiras de melhorar a performance de um sistema de refrigeração é utilizar a compressão em múltiplos estágios, utilizando o mesmo fluido de trabalho para todos os estágios. É utilizado um separador de líquido, ou câmara de flash, na saída de cada estágio.
2 2. MÉTODO DA ANÁLISE Os sistemas de refrigeração por compressão de vapor podem ser de diversos tipos. Podemos mencionar o ciclo de compressão com um único estágio, ciclo de dois estágios de compressão com ou sem resfriamento intermediário, ciclo de amônia com evaporador inundado e separador de liquido, sistema em cascata, etc. Este trabalho apresenta a realização de várias simulações utilizando-se o software de simulação de sistemas de refrigeração CoolPack. As simulações foram realizadas considerando-se ciclo de refrigeração por compressão de vapor com compressão em dois estágios. Compara-se o efeito de diferentes vaiáveis sobre a performance do sistema de refrigeração definida pelo COP (Coeficiente de Performance) para o fluido refrigerante R-717 (Amônia), fixando-se as temperaturas de evaporação e condensação. As variáveis de comparação são: o grau de sub-resfriamento do refrigerante na saída do condensador; o grau de superaquecimento do refrigerante na saída do evaporador; a pressão intermediária do ciclo; a eficiência isentrópica dos compressores; e as perdas de pressão no condensador e evaporador. Para analisar o efeito de apenas uma variável sobre o COP foram mantidas fixas as demais variáveis do processo durante as simulações. 3. ANÁLISE As seguintes variáveis utilizadas nas análises são definidas a seguir: : Temperatura de evaporação do refrigerante; : Temperatura de condensação do refrigerante; : Grau de superaquecimento (SuperHeat); : Grau de sub-resfriamento (SubCooling); : Transferência de calor específica no evaporador; : Transferência de calor específica no condensador; : Trabalho específico do compressor no estágio de alta; : Trabalho específico do compressor no estágio de baixa; : Eficiência isentrópica do compressor; : Pressão intermediária do ciclo; : Perda de pressão no evaporador; : Perda de pressão no condensador; : Coeficiente de performance do ciclo. Em princípio foi tomado como base um ciclo de refrigeração padrão. Para esta primeira simulação foi admitido que as perdas de pressão das linhas de sucção e descarga do compressor, as perdas de calor do compressor, as perdas de calor da linha de sucção e os graus de superaquecimento e sub-resfriamento foram considerados nulos. A eficiência isentrópica dos compressores foi admitida 100%. A pressão intermediária padrão, definida pelo próprio software é igual à média geométrica das pressões do condensador e do evaporador. Foi determinada uma temperatura de operação do evaporador igual a -10 C e o condensador a 50 C e em seguida foi feita uma primeira análise do ciclo padrão para comparação com os demais. O diagrama pressão versus entalpia deste ciclo é apresentado na Fig. 1 e os dados obtidos na Tab. 1. Figura 1. Gráfico pressão x entalpia para o ciclo padrão.
3 Tabela 1. Dados para os parâmetros do ciclo padrão. Ciclo Padrão , , , ,105 3, Variação do Grau de Sub-Resfriamento do Refrigerante A partir do ciclo padrão, sem sub-resfriamento, foram definidas quatro temperaturas de sub-resfriamento, todos os outros parâmetros são iguais ao do ciclo padrão. O diagrama pressão versus entalpia destes ciclos é apresentado na Fig. 2 e os dados na Tab. 2. Figura 2. Gráfico pressão x entalpia para diferentes variações no sub-resfriamento. Tabela 2. Dados obtidos para diferentes variações no sub-resfriamento , , , ,105 3, , , , ,105 3, , , , ,105 3, , , , ,105 3, Variação do Grau de Superaquecimento do Refrigerante A partir do ciclo padrão, sem superaquecimento, foram definidas quatro temperaturas de superaquecimento, todos os outros parâmetros são iguais ao do ciclo padrão. O diagrama pressão versus entalpia destes ciclos é apresentado na Fig. 3 e os dados na Tab. 3. Figura 3. Gráfico pressão x entalpia para diferentes variações no superaquecimento.
4 Tabela 3. Dados obtidos para diferentes variações no superaquecimento , , , ,105 3, , , , ,105 3, , , , ,105 3, , , , ,105 3, Variação na Pressão Intermediária do Ciclo Para o ciclo padrão a pressão intermediária foi definida como sendo a média geométrica entre as pressões do evaporador e do condensador. Para -10 C a pressão de saturação é de 2,909 bar. Para 50 C a pressão de saturação é de 20,33 bar. Assim: Então, foram feitas variações da pressão intermediária para quatro valores diferentes. O diagrama pressão versus entalpia destes ciclos é apresentado na Fig. 4 e os dados na Tab. 4. Figura 4. Gráfico pressão x entalpia para diferentes variações na pressão intermediária. Tabela 4. Dados obtidos para diferentes variações na pressão intermediária , ,153 3, ,759 3, , ,855 70, ,740 3, , , ,231 98,638 3, , , ,563 31,885 3, Variação na Eficiência Isentrópica do Compressor Para o ciclo padrão foi utilizado eficiência isentrópica de 100 %. A partir daí foram definidos outros quatro valores de eficiências e feitos outros ciclos. A eficiência foi igual para os dois compressores. O diagrama pressão versus entalpia destes ciclos é apresentado na Fig. 5 e os dados na Tab. 5. Tabela 6.5. Dados obtidos para diferentes variações na eficiência isentrópica da compressão. 0, , , , ,631 3,03 0, , , , ,477 3,23 0, , , , ,450 3,43 0, , , , ,374 3,64
5 Figura 6.5. Gráfico pressão x entalpia para diferentes variações na eficiência isentrópica da compressão Variação nas Perdas de Pressão no Condensador e Evaporador Para o ciclo padrão não ocorrem perdas de pressão no condensador e nem no evaporador. Para essa análise são feitas quatro variações de perda de pressão nos trocadores de calor. Foram consideradas sempre iguais as perdas no evaporador e no condensador. Na prática isso não ocorre. O diagrama pressão versus entalpia destes ciclos é apresentado na Fig. 6 e os dados na Tab. 6. As quedas de pressão foram acentuadas para melhorar a visualização. Figura 6. Gráfico pressão x entalpia para diferentes variações nas perdas de pressão no condensador e no evaporador. Tabela 6. Dados obtidos para diferentes variações na nas perdas de pressão no condensador e no evaporador. 0,50 0, , , , ,105 3,85 0,75 0, , , , ,105 3,86 1,00 1, , , , ,105 3,86 1,50 1, , , , ,105 3, Comparação da Amônia com o R-22 A Figura 7 apresenta o gráfico pressão x entalpia para o R-22 com todas as entradas iguais às do ciclo padrão de amônia. A Tabela 7 mostra os resultados obtidos. Tabela 7. Dados obtidos para o ciclo padrão utilizando R-22 no lugar da Amônia.
6 Ciclo Padrão com R , ,587 20,778 20,872 3,68 4. CONCLUSÕES Figura 7. Gráfico pressão x entalpia para o ciclo padrão com o R-22. Foi analisado o resultado da interferência dos principais parâmetros que podem ser mudados em um ciclo de refrigeração com compressão em dois estágios sobre o seu Coeficiente de Performance (COP), sobre a taxa de transferência de calor especifica no evaporador (q E ), sobre a taxa de transferência de calor específica no condensador (q C ) e sobre o trabalho específico nos compressores dos estágios de baixa e de alta pressão (w L e w H ). Os parâmetros abordados nesse trabalho e a análise feita sobre a variação de cada parâmetro, comparado ao ciclo padrão, segue abaixo: Variação do grau de sub-resfriamento do refrigerante Foi verificado que para que o líquido saia subresfriado do condensador é necessária uma maior quantidade de calor cedida no condensador. Essa variação não causa alterações no trabalho de compressão e nem no calor trocado no evaporador. Assim, para maiores taxas de sub-resfriamento ocorrem COP s mais altos. Variação do grau de superaquecimento do refrigerante Observou-se que para que ocorra o superaquecimento é necessária uma maior quantidade de calor específico absorvido no evaporador. Isso provoca um aumento no trabalho do compressor de baixa pressão. O trabalho no compressor de alta pressão e o calor trocado no condensador permanecem inalterados. Assim, ocorre uma diminuição do COP para quanto maior for a taxa de superaquecimento. Variação na pressão intermediária do ciclo Notou-se que o trabalho de compressão é menor se utilizado como pressão intermediária valores próximos à média geométrica das pressões do evaporador e do condensador. Para pressões intermediárias abaixo dessa média ocorre uma diminuição do trabalho de compressão no estágio de baixa e um aumento no trabalho no estágio de alta. Para pressões intermediárias acima da média ocorre um aumento do trabalho no estágio de baixa e uma diminuição do trabalho no estágio de alta. Nesse dois casos o aumento da pressão supera a diminuição da mesma. Logo, o COP do ciclo é melhor para pressões intermediária mais próximas da pressão média geométrica entre as pressões do condensador e do evaporador. Variação na eficiência isentrópica do compressor Foi verificado que o trabalho de compressão, para os dois compressores, é maior quanto menor for a eficiência dos compressores. O calor trocado no condensador é menor quanto maior for o trabalho de compressão, visto que o fluido chegará no condensador com maior estado energético. Assim, o COP do ciclo também é menor quanto menor a eficiência isentrópica dos compressores. É importante avaliar essa propriedade pois os compressores reais apresentam eficiência menor do que 100 %. Variação nas perdas de pressão no condensador e evaporador Observou-se que a quantidade de calor cedida no condensador é maior quanto maiores forem as perdas de carga nos trocadores de calor. Para essas diferentes perdas de pressões não ocorrem mudanças no calor trocado no evaporador e no trabalho de compressão do ciclo. Logo, ocorre um aumento do COP para maiores perdas de pressão, visto que ocorre um aumento do calor trocado no condensador. A perda de carga no condensador melhor a eficiência do mesmo. Comparação da Amônia ao R-22 Para o ciclo padrão mostrado a amônia apresentou um melhor coeficiente de performance do que o R-22, mostrando-se uma alternativa viável para utilização industrial.
7 5. REFERÊNCIAS Çengel, Y. A. and Boles M. A., 2006, Termodinâmica, Quinta Edição, Mc Graw Hill. Fernandes R.V., 2006, Análise Computacional de um Sistema de ar Condicionado Automotivo, Pós Graduação do Curso de Engenharia Mecânica, UnB, Brasília, Distrito Federal. Nota Técnica nº 03/2004: Refrigeração industrial por amônia: riscos, segurança e auditoria fiscal, Brasília: MTE, SIT, DSST, SIMULATION OF THE PERFORMANCE OF A INDUSTRY REFRIGERATOR WORKING WITH AMMONIA (R717) IN A COMPRESSION REFRIGERATION CYCLE IN TWO STAGES Nome do primeiro autor, 1 (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Nome do segundo autor, 1 (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Nome do terceiro autor, 1 (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Nome do quarto autor, 1 (Times New Roman, negrito, tamanho 10) (espaço simples entre linhas, tamanho 10) 1 Nome da instituição, endereço para correspondência, (Times New Roman, tamanho 10) Mesmo formato para outros autores e instituições, se houver. (espaço duplo entre linhas, tamanho 10) Abstract. A major problem of cooling today is the fact that the vast majority of common refrigerants be harmful to the environment, either by attacking the ozone layer or to contribute to the greenhouse effect. Ammonia presents itself as the only environmentally friendly natural refrigerant. Its main problems are the fact of having high toxicity and become explosive in high concentrations. The vapor compression cycle is widespread applications in refrigeration and air conditioning. One of its variations is the compression cycle with multistage liquid separation, or camera flash. This paper presents the performance of several simulations using the simulation software CoolPack cooling systems, which has a free license. The simulations were performed considering a refrigeration cycle vapor compression with compression in two stages and camera flash. Has defined a standard cycle (ideal) for the analysis, and from this, we compare the effect of different variables on the performance of the refrigeration system, having set temperatures of evaporation and condensation. The variables are compared: the degree of subcooling of the refrigerant at outlet of the condenser, the degree of superheat of the refrigerant at the evaporator outlet, the intermediate pressure of the cycle, the isentropic efficiency of the compressors, and the pressure losses in heat exchangers. For each of these variations is compared to the COP, the specific heat transfer in heat exchangers and the specific work of compressor stages of high and low ammonia with other refrigerant widely used industrially. All results are discussed and presented graphically and in tables, including graphs of pressure versus enthalpy and comparison charts of all variables. Keywords: industrial refrigeration, ammonia, refrigeration cycle, a two-stage compression, coefficient of performance
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