ANÁLISE EXERGÉTICA DE UM SISTEMA EXPERIMENTAL DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR UTILIZANDO UM SIMULADOR COMERCIAL

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1 ANÁLISE EXERGÉTICA DE UM SISTEMA EXPERIMENTAL DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR UTILIZANDO UM SIMULADOR COMERCIAL 1 Natália B. Marteleto, 2 José Vicente H. d Angelo 1 Bolsista de iniciação Científica FAPESP/UNICAMP, discente do curso de Engenharia Química 2 Professor da Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP/SP 1,2 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Estadual de Campinas. Rua Albert Einstein, 500, Bloco A, Cidade Universitária Zeferino Vaz, Campinas - SP, CEP dangelo@feq.unicamp.br RESUMO Cerca de 87% da energia produzida mundialmente provém de fontes não renováveis, o que torna constante a busca por fontes alternativas de energia. Os sistemas de refrigeração são grandes consumidores de energia. Uma das funções do engenheiro químico é avaliar o desempenho desses sistemas, de modo que se obtenha uma otimização do ciclo de refrigeração como um todo. Nesse trabalho estudou-se a eficiência de um sistema de refrigeração em escala piloto com o intuito de se diminuir o consumo de energia do mesmo. Para tal estudo, utilizou-se o conceito de análise exergética, que permite determinar a magnitude e a localização das perdas de exergia, associadas à perda de energia, nos componentes do ciclo. Foi utilizado o simulador comercial Hysys, versão 2.2, para gerar simulações do ciclo de refrigeração, as quais foram validadas com os dados experimentais. Neste trabalho, a simulação do sistema experimental desempenha um papel importante, na medida em que permite a realização de modificações nas condições operacionais do processo de refrigeração sem alterá-lo fisicamente. Como resultado, nota-se que a válvula de expansão é responsável por grande parte da perda de exergia do ciclo, com aproximadamente 44% de toda a exergia perdida. Palavras-Chave: refrigeração, exergia, simulação. INTRODUÇÃO Os sistemas de refrigeração possuem grande aplicabilidade industrial desde indústrias químicas até de bebidas, alimentícia, processamento de produtos agrícolas e climatização de ambientes de trabalho. Na indústria alimentícia, a refrigeração é utilizada para o congelamento de alimentos ou simplesmente para a preservação de suas características. A climatização é usada tanto em nível residencial como industrial. No segundo caso ela permite um maior controle da temperatura e umidade, o que garante uma boa qualidade do produto. Nos últimos anos, os sistemas de refrigeração têm sido discutidos pelos seus impactos ambientais. Alguns fluidos refrigerantes causam a destruição da camada de ozônio e/ou podem atuar como gases responsáveis pelo efeito estufa. Nesses casos, o impacto climático pode ser minimizado por meio de uma combinação ótima de refrigerantes. Um recurso indispensável para o funcionamento de um sistema de refrigeração é uma fonte de energia. A demanda energética é cada vez maior, o que explica a importância da busca por fontes alternativas de energia, já que grande parte da energia consumida por esses sistemas provém de fontes energéticas não renováveis. Nesse contexto, percebe-se a importância de se estudar os ciclos de refrigeração com o objetivo de diminuir o consumo energético. Para isso, pode-se utilizar uma ferramenta termodinâmica denominada análise exergética. A análise exergética engloba os princípios da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica e a exergia é definida como o trabalho teórico máximo obtido de um sistema quando este tende ao estado de equilíbrio com a sua vizinhança. A aplicação dessa ferramenta na análise dos ciclos termodinâmicos permite determinar a localização e a magnitude das perdas de exergia. Dessa forma, se torna possível propor alterações no processo para que se obtenha uma economia da energia consumida pelo sistema de refrigeração. A exergia de fluxo de um sistema pode ser representada pela Equação 1: Ex= ( E U ) + P ( V V ) T ( S S ) (1) VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 na qual E se refere à energia total do sistema, U 0 a energia interna do estado de referência, P 0 a pressão do estado de referência, V o volume do sistema, V 0 o volume do estado de referência, T 0 a temperatura do estado de referência, S a entropia do sistema e S 0 a entropia do estado de referência. Para um sistema aberto, adiabático e em regime permanente, a Equação 1 se resume à Equação 2: Ex = ( H H ) T ( S S ) (2) Dessa forma, a exergia destruída pode ser calculada a partir de um balanço de exergia para cada componente do ciclo, por meio da Equação 3: Ex = Ex+ W (3) destruída na qual o termo Ex refere-se à variação de exergia das correntes de entrada e saída no volume de controle e W corresponde ao trabalho exercido sob o volume de controle. Nesse trabalho estudou-se um sistema experimental de refrigeração. Os dados experimentais adquiridos foram utilizados para validar simulações por meio do simulador comercial Hysys, versão 2.2. As simulações permitiram que fossem propostas modificações no processo, sem que o mesmo tenha sido alterado fisicamente. A análise exergética foi aplicada então a essas simulações, usando uma planilha eletrônica para efetuar os cálculos das perdas de exergia. Figura 1: Sistema experimental de refrigeração (LCAP/FEQ/UNICAMP). A Figura 1 mostra os componentes básicos do ciclo de refrigeração: evaporador, compressor, condensador e válvula de expansão, além de outros equipamentos, como tanque de armazenamento de refrigerante, ventilador, válvulas de expansão, filtro secador de refrigerante, além de sensores de temperatura e pressão por toda a linha. Na Figura 1 também estão representadas as três áreas do sistema de refrigeração: a área de evaporação, na qual se circula a substância que se deseja resfriar (neste caso, o propilenoglicol); a área de condensação a ar, e condensação a água. O fluido refrigerante do ciclo é o R-22 (clorodifluorometano). As Figuras 2 e 3 mostram com mais detalhes as áreas de evaporação e condensação a ar, respectivamente: MATERIAIS E MÉTODOS Sistema Experimental de Refrigeração O protótipo do sistema experimental de refrigeração, disponível no Laboratório de Controle e Automação da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, está representado pela Figura 1: Figura 2: Área de evaporação.

3 A Figura 4 apresenta o esquema de uma tela do simulador comercial utilizado. Figura 3: Área de condensação a ar. Foram realizados diversos ensaios para se fazer a coleta de dados, os quais tiveram uma duração média de três horas cada. Os ensaios foram realizados da seguinte forma: fixava-se uma freqüência de rotação para a bomba e para o compressor. Em seguida, acionava-se o ventilador, bomba e compressor. Esperava-se o processo entrar em regime permanente, o que era observado por meio do comportamento dinâmico das variáveis nos gráficos do sistema de controle, até que se visualizasse um patamar nos gráficos de temperatura e pressão em função do tempo. Em geral era possível alcançar o regime permanente em um intervalo de tempo de cerca de 20 minutos. Em seguida a carga térmica no tanque de armazenamento de propilenoglicol, era acionada, por meio de uma resistência que ficava imersa nesse fluido, de forma a perturbar o sistema. As variáveis do processo eram monitoradas por um sistema supervisório e os dados de temperatura e pressão eram coletados somente quando o processo de refrigeração se encontrava novamente em regime permanente. Nesse trabalho são apresentados os resultados relativos aos seguintes ensaios: frequência de rotação do compressor e da bomba, 60 Hz para ambos e carga térmica no tanque igual a 1800 W; frequência de rotação do compressor 40 Hz, da da bomba, 30 Hz e carga térmica no tanque igual a 900 W. Simulador Comercial Neste trabalho, foi utilizado o simulador comercial Hysys, versão 2.2, que é uma ferramenta computacional utilizada para simulação de processos. O uso do simulador permite que, depois de validadas as simulações, mudanças nas condições de operação do processo possam ser realizadas de forma rápida, eficiente e precisa, na medida em que as simulações representam fielmente o sistema experimental de refrigeração. Figura 4: Simulação do ciclo de refrigeração. Os dados experimentais foram utilizados para validar simulações que representassem fielmente o sistema experimental de refrigeração. Dessa forma, algumas variáveis experimentais foram inseridas na simulação como variáveis de entrada e as geradas na simulação, variáveis de saída, foram checadas com os dados experimentais, apresentando boa reprodutibilidade dos mesmos. A escolha do pacote termodinâmico também foi de suma importância, já que alguns se adaptam melhor ao refrigerante do ciclo (R22). No caso desse trabalho foi utilizada a equação de estado de Peng-Robinson para cálculo das propriedades termodinâmicas do refrigerante. Com a simulação validada, seguiu-se com a análise exergética do ciclo de refrigeração. Para isso, calculou-se a exergia de cada linha do processo (Equação 2) e então aplicou-se o balanço de exergia nos componentes do ciclo (Equação 3), determinando assim a exergia destruída em cada caso. Para efetuar estes cálculos utilizou-se uma planilha eletrônica. Mudanças nas condições de operação do ciclo de refrigeração foram efetuadas e analisadas do ponto de vista exergético, para determinar em quais casos ocorriam uma menor destruição da exergia. Os resultados dessas mudanças e as respectivas análises serão descritas a seguir. RESULTADOS E DISCUSSÕES Para avaliação quantitativa das perdas de exergia ocorrida em cada componente do sistema experimental, foram construídos vários gráficos que mostram essas perdas. A Figura 5 mostra a análise realizada ao se variar a temperatura na saída da válvula de expansão. A Figura 5 mostra que a exergia destruída diminui com a diminuição da temperatura e que em todos os casos a válvula de expansão é o equipamento no qual a perda de exergia é maior.

4 Exergia destruída (kj/h) 3.50E E E E E E E E Temperatura (ºC) Evaporador Compressor Condensador Válvula Figura 5: Análise exergética com variação na temperatura da saída da válvula de expansão. A Figura 6 mostra que é possível diminuir a perda de exergia aumentando a pressão na saída da válvula de expansão e que a válvula é a responsável pela maior parte da exergia destruída. Exergia destruída (kj/h) 7.00E E E E E E E E Pressão (kpa) Evaporador Compressor Condensador Válvula Figura 6: Análise exergética com variação na pressão da saída da válvula de expansão. A partir desses resultados, percebe-se que, sendo a válvula o equipamento em que ocorre a maior perda de exergia no processo de resfriamento, podem ser realizadas mudanças no seu grau de expansão para reduzir tais perdas. No entanto, uma análise econômica mais profunda deve ser realizada, no sentido de que, ao alterar o grau de expansão da válvula, alterase a vazão de refrigerante, com implicações em todos os demais componentes do ciclo. Portanto, deve-se ainda fazer uma análise do custo exergético versus o custo de se ter o mesmo processo de resfriamento com uma vazão maior de refrigerante. CONCLUSÃO Por meio deste trabalho foi possível aplicar de forma satisfatória o método da análise exergética na avaliação do desempenho do sistema de refrigeração. É importante compreender o potencial dessa ferramenta, que pode ser utilizada não somente em ciclos de refrigeração, mas também em diversos outros processos e equipamentos das indústrias químicas, como em torres de destilação. Além disso, este trabalho permitiu ter o contato com um sistema experimental em escala piloto e realizar simulações do mesmo. Com as simulações validadas e utilizando a análise exergética, determinou-se o componente no qual ocorreu a maior parte da perda de exergia. REFERÊNCIAS ANTUNES, A.; GARCIA, F.; FILHO, E., Avaliação experimental de um sistema de refrigeração com variação da rotação do compressor, XIV Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica, CHEJNE, F. e RESTREPO, J.A., New rules for the exergo-economic optimization methodology, Energy, v. 28, , CIHAN, A., HAC HAF ZOG LU, O., KAHVECI, K., Energy-exergy analysis and modernization suggestions for a combined-cycle power plant, International Journal of Energy Research, v.30, , ÇENGEL, Y.A. e BOLES, M.A., Thermodynamics: An Engineering Approach, McGraw-Hill, 4 a edição, MORAN, M.J. e SHAPIRO, H.N., Princípios de Termodinâmica para Engenharia, LTC Editora, 4 a edição, 681 pp., SANJAY, Y., SINGH, O., PRASAD, B.N., Energy and exergy analysis of steam cooled reheat gas steam combined cycle, Applied Thermal Engineering, v.27, , SENCAN A., SELBAS R., KIZILKAN O., KALOGIROU S.A., Thermodynamic analysis of subcooling and superheating effects of alternative refrigerants for vapour compression refrigeration cycles, Int. J. Res., v. 30, , SHREVE, R.N. e BRINK JR., J. A., Indústrias de Processos Químicos, Guanabara Dois, 4 a edição, 717 pp., SMITH, J.M., VAN NESS, H.C., ABBOTT, M.M., Introdução à Termodinâmica da Engenharia

5 Química, LTC Editora, 7 a edição, 45 pp, SOMASUNDARAM, P., DINAKARAN, R. e INIYAN, S., Exergy based refrigerant selection and simulation of auto refrigeration cascade (ARC) system, Int. J. Exergy, v.1, n o 1, 60-81, STOECKER, W.F., JABARDO J.M., Refrigeração Industrial, E. BLUCHER, 2ª edição, 1-6; , VALERO, A., SERRA, L., UCHE, J., Fundamentals of Exergy Cost Accounting and Thermoeconomics, J. Energy Resour. Technol., v. 12, 1-9, YUMRUTAS, R., KUNDUZ, M., KANOGLU, M., Exergy analysis of vapor compression refrigeration systems, Exergy, v. 2, , AGRADECIMENTOS À FAPESP pela bolsa de iniciação científica concedida para a execução desse projeto e ao Prof. Flávio Vasconcelos da Silva, do LCAP, pelo suporte com o sistema de refrigeração experimental.