ESTUDO DE SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO COM MENOR IMPACTO AMBIENTAL SISTEMAS HÍBRIDOS EVAPORATIVOS- COMPRESSÃO DE VAPOR

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1 ESTUDO DE SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO COM MENOR IMPACTO AMBIENTAL SISTEMAS HÍBRIDOS EVAPORATIVOS- COMPRESSÃO DE VAPOR Alunos: Rafael Ferrão Moura Cruz Felipe Martins Roballo Ferreira Orientador: José Alberto dos Reis Parise Co-Orientador: Carlos Eduardo Leme Nóbrega Introdução Dados energéticos dos Estados Unidos mostram que, naquele país, a contribuição direta (por vazamento) dos gases refrigerantes para a emissão de gases de efeito estufa é da ordem de % da emissão total (todas as fontes consideradas). A contribuição indireta (emissão devido à produção de energia elétrica uso residencial ou comercial) chega a 7%. Não são números desprezíveis, pelo contrário. No Brasil, estudos preliminares apontam para valores de mesma ordem de grandeza. Buscam-se, com o presente estudo, equipamentos e sistemas de refrigeração alternativos que apresentem maior eficiência energética (menor emissão indireta de gases de efeito estufa) e menor impacto direto (sistemas com baixa carga de refrigerantes ou até nenhuma, como na refrigeração magnética ou evaporativa). Sistemas híbridos (evaporativos/compressão de vapor) podem representar significativa redução do consumo de energia se comparado com o sistema de refrigeração comercial vigente, além de não necessitar de gases refrigerantes. Como se sabe, no Brasil, os sistemas de ar condicionado atuais representam um gasto até de 50% do consumo energético total em setores comerciais. Portanto, o uso mais discriminado de refrigeradores evaporativos poderia representar uma economia de energia elétrica ao país. Estes sistemas têm mostrado grande potencial para substituir os sistemas de refrigeração por compressão de gazes estabelecidos à medida que, além da economia elétrica, são capazes de produzir um ar resfriado e úmido sem atingir a saturação (umidade relativa = 100%). A simulação teórica de sistemas térmicos tem-se mostrado uma ferramenta válida na previsão do desempenho de sistemas em desenvolvimento e na compreensão dos processos térmicos envolvidos, servindo como uma etapa precedente ao experimento prático. Cumpre lembrar que, em virtude do atraso na finalização de uma tese de doutorado sobre refrigeração magnética, decidiu-se pela concentração de esforços (bolsas de iniciação científica) na refrigeração híbrida. Objetivos Foram objetivos do presente projeto: 1) Estudar a montagem do aparato experimental de refrigeração híbrida; ) Propor uma sequência de montagem dos equipamentos, encomendá-los e comprá-los; 3) Ensaiá-los individualmente tendo em vista, futuramente, usá-los em experimento do mesmo projeto; 4) Propor uma metodologia de cálculo da queda de pressão no software EES, nos componentes a montante do climatizador, e uma referente à eficiência do climatizador evaporativo. Configurações do sistema O estudo de um sistema de refrigeração requer certos cuidados a serem tomados em relação às condições do ar no ambiente e dentro do laboratório. A bancada proposta tem

2 objetivo de normatizar o ar com condições de temperatura e umidade desejadas para o teste da eficiência do climatizador. O esboço do sistema proposto é mostrado na figura 1. Primeiramente, o ar é succionado de um ambiente externo pelo ventilador, o qual têm capacidade suficiente para superar a perda de carga que será gerada a jusante do mesmo. O fluxo de ar, à pressão de insuflamento, escoa por um leito preenchido com uma quantidade pré-estabelecida de pelotas de sílica gel (necessitara ser trocada periodicamente) a qual secará o ar por adsorção e também aumentará sua temperatura. Em seguida, o fluxo de ar passará por um trocador de calor, o qual estará conectado a um banho térmico, para que a temperatura seja ajustada às condições desejadas para o ensaio. Finalmente, o ar escoará através do sistema do trocador de calor evaporativo mostrado esquematicamente na figura, tendo sua temperatura diminuída e umidade aumentada. Para o modelo matemático realizado para o calculo das quedas de pressão nos componentes, foram considerados como queda principal a tubulação e como quedas secundárias, o trocador de calor e a torre de sílica gel. Figura 1 - Esboço do aparato experimental

3 Equipamentos e métodos teóricos A - Ventilador: Figura - Esquema do sistema de refrigeração evaporativa [1]. A partir da necessidade de se testar o sistema de refrigeração híbrido, foi estabelecida a necessidade da compra de um ventilador para forçar o ar ao longo do sistema. O ventilador foi escolhido para ser usado a montante do climatizador evaporativo, como primeiro elemento do sistema. Foi orçado e comprado um ventilador axial com rotor de pás curvadas para trás, com sua carcaça feita integralmente de chapas de aços. Foi orçado também um inversor de frequência, a ser montado no sistema trifásico do motor, a fim de variar a rotação estabelecida do motor e, consequentemente, ter um maior controle sobre a vazão do ventilador. Para o ventilador, foram desenhadas duas reduções na tubulação: uma para a conexão da entrada com a tubulação e outra para a saída retangular, com a mesma tubulação. Foi projetada também, uma placa de orifício (figura 3) de acordo com a norma ISO 5167, a qual será flangeada à tubulação para efetuar as tomadas de pressão realizadas a uma distância D a montante e D/ a jusante, objetivando a vazão mássica do fluido (ar) através de: m = e C A p 1 4 (1) onde e é o fator de expansão, C o coeficiente de descarga, A a área de passagem do fluido pela placa de orifício, ρ a densidade do fluido, β a fração entre o diâmetro de passagem da placa de orifício e o diâmetro da tubulação e Δp a variação de pressão.

4 Figura 3 Desenho da placa de orifício Seguem os principais dados do ventilador: a sua curva característica e o seu ponto de operação indicado para a frequência natural de trabalho. Tabela 1: Dados do Ventilador (fabricante: Berlinerluft) Ventilador Vazão de ar Pressão Temperatura Potência Potência Sonora estática suportada Absoluta GTS m³/h 5mmCA 65ºC 0,30 kw 76 db(a)

5 B - Torre de sílica-gel: Figura 4 Curva característica do ventilador Com o intuito de secar o ar ambiente, devido especialmente à grande umidade relativa presente no Rio de Janeiro, foi dimensionada uma torre a ser preenchida com uma quantidade suficiente de partículas de sílica-gel []. Ela será capaz de diminuir a umidade relativa do ambiente e deverá apresentar a menor perda de carga possível. Lembrando que, assim como para o ventilador, foi necessário o desenho de duas reduções referentes às conexões da torre com a tubulação. Com o intuito de se dimensionar a torre de sílica-gel a ser fabricada, foram realizados cálculos a partir de uma quantidade de sílica-gel de 10 kg previamente estabelecida. Sabemos que partículas granuladas de sílica-gel dessecante tem densidade média de 0,7 kg/l e também por experiência, que para um bom funcionamento da torre, costuma-se dimensionar o comprimento da torre em torno de algo igual a duas vezes o seu diametro. V sg V ar 1 = + V torre V torre (1) onde V sg é o volume de sílica-gel, V torre, o volume total do leito e V ar, o volume de ar dentro do leito. Sabemos, também, que a porosidade (V ar / V torre ), isto é, a razão entre o volume vazio e o volume do leito é 0,4, Logo, temos que: D torre H torre = V torre 4 () onde D leito é o diâmetro do leito e H torre é a altura do leito. Resultando, assim, um leito com com 0,47 m de diâmetro e 0,495 de altura.

6 p [kpa] Departamento de Engenharia Mecânica Para o cálculo da queda de pressão na torre, preenchida com partículas de sílica-gel, foi seguida a equação de Ergun [3], dada por: p = (3) onde μ é viscosidade do ar, ε, a porosidade, V s, a velocidade do fluido na torre (caso ela estivesse vazia), ρ, a densidade do fluido, L, o comprimento da torre e D p, o diâmetro da partícula de sílica-gel. Tabela Dados de entrada da torre de sílica-gel μ (Pa s) ε (-) ρ (kg/m³) L (m) D p (m) 0, ,4 1,15 0,495 0,004 A partir das equações (1) a (3) tem-se: ( 1 ) V s L 3 Dp + 1,75 ( 1 ) V s L 3 Dp C Trocador de calor: Q [m 3 /h] Figura 5 Queda de pressão no leito de sílica-gel A fim de normatizar a temperatura desejada do ar e não ficar à mercê das condições ambientes, foi vislumbrado a necessidade de um trocador de calor e um banho térmico. Um banho térmico com um sistema de circulação externa foi orçado e comprado com o propósito de ser conectado com o trocador de calor. O banho térmico é o aparato que mantém a temperatura do fluido constante durante a troca de calor, para o resfriamento do ar. Como um de seus atrativos, o banho tem a capacidade de realizar o controle preciso da temperatura. Em relação ao trocador de calor, foi decidido o uso de uma serpentina ar-água por motivo da falta de espaço no laboratório que o sistema será montado. Vale lembrar também que, devido a sua forma geométrica, ele fará o papel de um homogeinizador para o fluido.

7 Finalmente, ele será um trocador monofásico (não há mudança de fase do fluido) que refrigerará o ar através de condução térmica, na qual sua queda de pressão [4] se dá por: p = (4) onde k L é o coeficiente de perda por fricção da serpentina (a ser determinado experimentalmente ou na literatura), ρ a densidade do ar, V a velocidade do fluido e Δp a queda de pressão. D - Tubulação: k L v Para a tubulação foi realizado o cálculo referente a dois dutos rígidos que foram orçados; 8 e 10, ambos de plástico PVC. Devido ao reduzido espaço presente no laboratório para a realização da bancada, serão necessárias duas curvas de 90º a fim de compactar o sistema. Cabe dizer que o coeficiente K foi calculado como a soma de todos os coeficientes de perdas das curvas, reduções e expansões bruscas do sistema. Através da equação de Colebrook-White [4], obtemos o fator de atrito f na parede interna da tubulação: 1 f Para um número de Reynolds igual a: Re = = log D 3,7 + v D,51 Re f (6) onde ε é a rugosidade da parede interna da tubulação, D, o diâmetro da tubulação e Re, o número de Reynolds. (5) P 1 v 1 P v v 1 f L 1 g + g = g + g + g D + K (7) onde P 1 é a pressão a montante, P, a jusante, ρ 1, a massa específica do fluido a montante, ρ, a jusante, V 1, a velocidade a montante, V, a jusante,, a rugosidade relativa e L, o comprimento total da tubulação. Tabela 3 Dados de entrada para equações (5) a (7) P 1 (kpa) g (m/s²) ρ 1 (kg/m³) ε (-) L (m) 101,5 9,81 1,183 0,

8 p [kpa] Departamento de Engenharia Mecânica D = 8 in D = 10 in Q [m 3 /h] Figura 6 Queda de pressão ao longo dos trechos da tubulação E - Climatizador: Mediante o uso de um software (EES) que tem aplicação facilitada para cálculos de termodinâmica e transferência de calor, foi desenvolvido método de simulação para a determinação da eficiência do climatizador (marca ecobrisa, modelo EB-0) com os parâmetros obtidos pelo fabricante do equipamento. O climatizador estudado possui um par de ventiladores (estes serão retirados), um núcleo evaporativo, um circuito básico de água composto por um distribuidor, uma bomba de recirculação e uma bandeja de armazenamento. O painel evaporativo, como informado pelo fabricante, é composto por camadas de papel Kraft, com grande porosidade que, juntas, formam uma matriz com alta superfície de contanto com a água. Ao mesmo tempo, não geram alta resistência ao fluxo de ar, consequentemente não provocando grandes quedas de pressão. Aplicando a conservação de massa para o volume de controle, referente à matriz do climatizador (figura 7), obtemos o seguinte balanço de massa global: m m1 + m w1 = m m + m w (8) m a = m m 1 + W Sabendo que: (9) onde m m1 é a vazão mássica do ar úmido a montante, m m, a jusante, m w1, a vazão mássica da água a montante, m w, a jusante, m a é a vazão mássica de ar seco e W, a fração de água por ar seco.

9 Figura 7 Balanço de massa global Descrevendo em termos de equações o balanço de energia referente ao volume de controle da matriz do climatizador (figura 5), obtemos para a água: Q = m w1 h w1 m w h w (10) onde é a taxa de transferência de calor,, a entalpia da água a montante e, a jusante. E para o ar úmido: Q = m a ( h m h m1 ) onde, é a entalpia do ar úmido a montante e, a jusante. (11) Figura 8 Balanço de energia

10 Para dar continuidade ao modelo matemático da eficiência do climatizador será utilizado o método ε-ntu (efetividade térmica número de unidades de transferência), o qual se faz útil para problemas nos quais faltam parâmetros definidos, como a temperatura e umidade de saída. Por Jaber e Webb [5], pelo método ε-ntu, temos uma equação de transferência de energia, dada por: Q = m min ( h s1 h m1 ) onde h s1 é a entalpia referente à temperatura T w1 e δ, um fator de correção, dado por: (1) = h s1 + h s h s 4 (13) onde s é a entalpia de ar saturado na temperatura dada pela média aritmética entre T w1 e T w. Também, segundo Jaber e Webb [5], para um refrigerador evaporativo a efetividade térmica é dada por: = 1 exp ( NTU ( 1 c R ) ) 1 c R exp ( NTU ( 1 c R ) ) (14) onde NTU é o número de unidades transferidas e C R é a razão de capacidade do fluido, dada por: Para: o maior valor entre e, e o menor. Conclusões Uma proposta de refrigeração híbrida (compressão de vapor-adsorção) foi conduzida mediante montagem virtual do projeto (na plataforma SolidWorks ), em apoio ao futuro projeto do sistema. Para tal, uma maior compreensão do comportamento de um processo de refrigeração híbrida foi obtida mediante ao estudo teórico das características do climatizador evaporativo, já comprado. O modelo matemático [6,7], desenvolvido em plataforma EES, quando terminado, será de grande utilidade já que foi simplificado a fim de facilitar o uso por futuros estudantes que estarão envolvidos nesse projeto. O calculo teórico desenvolvido será complementado pelos dados experimentais (devido à falta de dados apresentados pelo fabricante) e servirá para a comparação com as medidas experimentais realizadas Apesar de os desenhos das peças que necessitarão ser fabricadas já terem sido realizadas, e o restante dos equipamentos já terem sido orçados e comprados, o aparato experimental ainda não foi montado devido a alguns problemas logísticos no laboratório (montagem e simulação de outro aparato, de maior estrutura). Porém, a montagem do sistema será efetivada de forma imediata pelo próximo grupo de estudantes que darão continuidade ao projeto, podendo, assim, validar o modelo teórico realizado. Agadecimento, Os outros, e os bolsistas em particular, agradecimento ao CNPq (e também à FAPERJ) pelo auxílio concedido.

11 Referências Pesaran, A.A., Mills, A.F., Moisture Transport in silica Gel Packed Beds-Part I, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.30, (1987) Ergun, Sabri. Fluid flow through packed columns, Chem. Eng. Prog. 48 (195) 4 - Hewitt, G.F., 008, Heat Exchanger Design Handbook, Begell House inc. Publishers, New York, USA. 5 Jaber, H. and Webb, R. L. Design of Cooling Towers by the Effectiveness NTU Method, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, 111, (November 1989) 6 - Nóbrega C.E.L., Parise J.A.R., 013, An Alternative Air-Conditioning System with a Sensible-Latent Decoupled Thermal Load, CLIMA 013, Praga, República Tcheca. 7 - P. A. F. Bougleux, F. E. M. Saboya, R. Pitanga Marques, J. A. R. Parise, A simple direct evaporative cooler and cooling tower simulation by the effectiveness-ntu method, aceito para publicação no The International Journal of Mechanical Engineering Education, 004.