Silvio Francisco da Silva (UNIFEI) Carlos Eduardo Sanches da Silva (UNIFEI)

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1 Analise de Viabilidade Técnica do Desenvolvimento de um Sistema de Refrigeração por Absorção Operando com Gases Quentes Emitidos pelos Fornos de Panificação Silvio Francisco da Silva (UNIFEI) Carlos Eduardo Sanches da Silva (UNIFEI) Resumo Esta pesquisa descreve o estudo de viabilidade técnica da instalação de um sistema de refrigeração por absorção operando com solução de brometo de lítio/água utilizando como fonte de energia os gases quentes emitidos pelo queimador de fornos de panificação. O sistema de refrigeração proposto tem como finalidade gerar água gelada, em torno de 5ºC, utilizada na produção de pães. Os dados térmicos foram obtidos ensaiado de um forno de panificação em condições normais de operação. O modelo matemático segue as leis da conservação de massa e energia, permitindo dimensionar a área necessária do trocador de calor do gerador e estimar a quantidade de vapor de água (refrigerante) produzida, assim é possível determinar a quantidade de água gelada que o sistema fornece. O resultado da capacidade frigorífica é estimada em 0,45 kw, sendo que para refrigerar a quantidade de água requerida são necessários 0,5 kw. O sistema se mostra incapaz de atender as necessidades exigidas. Como solução propõe-se um sistema duplo-efeito, primeiro um refrigerador por absorção atua reduzindo a temperatura da água o máximo possível e caso as exigências não sejam atendidas um sistema de refrigeração convencional entra em operação. Esse sistema representa redução de 89% da energia elétrica gasta anteriormente. Palavras chave: viabilidade, cogeração, fornos de panificação. - Introdução Nas últimas décadas considerações econômicas e ambientais trouxeram um novo interesse nos sistemas de refrigeração alimentados por uma fonte de calor. Este sistema, conhecido como Refrigeração por Absorção, pode utilizar como fonte de energia recursos alternativos, tais como gases quentes emitidos por outros processos (fornos, siderurgia, escapamento de carros) e até mesmo energia solar. O ciclo por absorção é, em certos aspectos similar ao sistema de refrigeração convencional por compressão de vapor. A principal diferença está no fato da inexistência de compressor no sistema por absorção, em seu lugar é utilizado o gerador de vapor que através do aquecimento da solução refrigerante/absorvente vaporiza o fluido refrigerante aumentado sua pressão. O vapor de refrigerante passa então pelo condensador onde rejeita calor com o meio (ar ou água) e em seguida passa por uma válvula de expansão que reduz a pressão e conseqüentemente a temperatura. O fluido refrigerante, a baixa temperatura e pressão, passa pelo evaporador onde retira calor do meio produzindo o efeito frigorífico. Por último o fluido é enviado para o absorvedor onde é incorporado a solução inicial restituindo suas características. Uma bomba atua entre o absorvedor e o gerador de forma a equilibrar a pressão no sistema (ver figura ). Vários estudos tem sido realizados na área com o objetivo de aproveitar fontes de energia térmica para o acionamento de sistema de refrigeração utilizados para a climatização de ambientes, sistema de ar condicionado de ar automotivo, pequenos refrigeradores portáteis entre outros.

2 2 - Modelagem Matemática Para modelagem do ciclo será adotado um sistema de refrigeração por absorção simples com bomba para elevar a pressão do fluido refrigerante entre os equipamentos de baixa e alta pressão, conforme figura. Como fluidos de trabalho será utilizado o par água / brometo de lítio como refrigerante e absorvente respectivamente. Para a modelagem matemática do ciclo serão utilizados os princípios da conservação de massa e energia em cada componentes, com algumas simplificações para facilitar a analise do ciclo: sistema em regime permanente sem variação de fluxo de massa, perdas de carga e variações de temperatura desprezíveis. FIGURA Refrigeração por Absorção com Bomba 2. - Gerador de Vapor Consiste em um trocador de calor onde os gases quentes vindo do forno fornecem calor para a solução de brometo de lítio/água produzindo a vaporização de água utilizada como refrigerante, que é enviada ao condensador a uma temperatura de superaquecimento de 00ºC. O gerador opera a alta pressão que foi estimada em 0kPa. A solução forte vem do absorvedor a uma concentração de cerca de 65% e uma temperatura média de 35ºC. O gerador envia para o absorvedor a solução fraca a uma temperatura de 45ºC (liquido saturado) e uma concentração de 55% em massa de brometo de lítio. O modelo construtivo proposto (figura 2) consiste em um trocador de calor tipo casco cilíndrico no interior do qual encontra-se uma serpentina tubular de cobre mergulhada na solução refrigerante/absorvente. Os gases provenientes do forno circulam pelo interior da serpentina e fornecem energia (calor) para a solução gerando a vaporização de água. 2

3 FIGURA 2 Gerador de Vapor FIGURA 3 Volume de Controle no Gerador Para o equacionamento do gerador serão considerados os balanços de massa (eqs. e 2) e de energia (eqs. 3 e 4): m = m 2 + m 3 () m X = m 2 X (2) m h + Q g = m 2 h 2 + m 3 h 3 (3) m g h g, = m g h g,2 + Q g (4) Para determinar a quantidade de calor transmitida à solução no gerador será utilizado o método da efetividade î NUT. A efetividade î relaciona a taxa real de transferência de calor com a máxima transferência de calor entre as correntes de fluidos quente e frio: Q (5) Q max C f m f. C p, f C q mq. C p, q (6) (7) Qmax Cmin.( T q, e T f, s ) (8) Q m C.( T T ) (9) f. p, f f, s f, e Onde: î = efetividade Q = quantidade de calor transferida Q max = quantidade máxima de calor que pode ser transmitido T g,e = temperatura dos gases quentes do forno T f,e = temperatura da solução na entrada do gerador T f,s = temperatura da solução na saída do gerador 3

4 A partir do valor de î calculado pode-se estimar o valor de NUT através do gráfico apresentado por Incropera para o tipo de trocador de calor adequado. U q. Aq NUT (0) C min A resistência térmica total R ao fluxo de calor, através de um tubo, entre a corrente externa e interna é formada por: R = Resistência térmica do fluxo interno + resistência térmica do material do tubo + resistência térmica do fluxo externo Que pode ser equacionado por: R A. h int int t k. A m A. h () ext e xt Onde: A int, A ext = área superficial interna, externa [m 2 ] A m = área média [m 2 ] h i = coeficiente convectivo de transferência de calor interno [W/(m 2. K)] h e = coeficiente convectivo de transferência de calor externo [W/(m 2. K)] k = condutividade térmica do material do tubo [W/(m. K] t = espessura do tubo U Aext. R Aint. R (2) A resistência térmica R pode ser expressa como um coeficiente de transferência de calor global U relacionado tanto a superfície interna quanto a superfície externa. Substituindo () em (2) e organizando a equação tem-se: U / hi [/(2k )]. Di.ln( Do / Di ) ( Di / Do ).(/ ho ) (3) Onde: D o = diâmetro interno da tubulação [m²] D i = diâmetro externo da tubulação [m²] k = condutividade térmica do material do tubo [W/(m. K] Neste caso não serão considerados fatores que alterem a condutividade térmica do tubo como incrustações que reduzem a taxa de transferência de calor. No escoamento interno pode-se obter o coeficiente de transferência de calor convectivo (h int ) aplicando a equação de Dittus-Boelter (eq. 5, Ozisk, 998): 0,8 0,3 NU 0,023.Re.Pr (4) 4

5 .v. D Re (4.).c Pr p k (4.2) h. D NU k (4.3) k 0,8 0,3 h 0,023.Re.Pr D (5) int Onde: k = condutividade térmica dos vapores emitidos pelo forno [W/(m.K)] Para o escoamento externo considera-se que a transferência de calor ocorra em piscina, com ebulição em película (Incropera et al, 998). O valor do coeficiente de transferência de calor convectivo (h ext ) é obtido por: hext k D ext 3 g( l v). hlv. D.0,62. vv. kv.( Tsup Tsat ) (6) A vazão de massa que circula pelo gerador pode ser estimada a partir da quantidade de calor fornecida ao sistema e das concentrações estimadas do fluido absorvente. Segundo Santos et. al. (200): Q m (7) X X h 2 h3. h X 3 X 3 X m3 m. (8) X m 3 2 m m3 (9) Para obter os valores de vazão da solução e da quantidade de calor transferida ao sistema é necessário realizar um processo de iterações, uma vez que as duas incógnitas estão relacionadas Evaporador No evaporado ocorre o efeito frigorífico com a retirada de calor do meio pelo refrigerante (água a baixa pressão). A quantidade de calor retirada determina a temperatura final atingida pela água a ser refrigerada. 5

6 FIGURA 4 Volume do Controle no Evaporado Realizando um balanço de energia e de massa temos: m 5 h 5 + Q e = m 6 h 6 (20) m a,e = m a,s + Q e2 (2) Onde: Q e = quantidade de calor que o sistema é capaz de retirar Q e2 = quantidade de calor necessária para a refrigeração da água m a,e = m a,s = massa de água a ser resfriada O sistema será capaz de fornecer a quantidade de água gelada na temperatura exigida se Q e for igual ou maior que Q e2. Para determinação das características dos fluidos (entalpia, viscosidade, pressão de vaporização, condutividade térmica) envolvidos no ciclo serão utilizados valores disponíveis na literatura. Para o ar quente do forno e o vapor de água utilizado com fluido refrigerante foram utilizadas tabelas apresentadas por Incropera. Para determinar as características da solução brometo de lítio/água foram utilizadas equações propostas por FLORIDES et. al (2003), citada por TEIXEIRA (2005) e CARVALHO (2005). 3 - Procedimento Experimental Com o objetivo de analisar a viabilidade do sistema proposto foi ensaiado um forno de panificação para determinar parâmetros térmicos dos gases liberadados pelo escapamento do queimador. O procedimento empregado para realizar o ensaio consiste em:. Conectar o forno a rede elétrica e liberar as válvulas de água a gás que alimentam o forno; 2. Ligar o forno; 3. Pré aquecer o forno a temperatura de 200º C; 4. Carregar o forno com 8 GN s* / 65mm lisa contendo 2 litros de água cada para simular uma carga de 240 pães. 5. Regular a temperatura em 80ºC; 6. Aguardar 20 minutos (tempo necessário para assar os pães); 7. Retirar a carga do forno; 8. Desligar o forno; 9. Aguardar alguns minutos até que a temperatura do forno diminua; 0. Religar o forno, e pré aquecer a 200ºC;. Carregar o forno com meia carga e repetir as etapas 5,6,7,8; 2. Aguardar que o forno esfrie. 6

7 (*) GN s : Recipientes gastronômicos com dimensões padronizadas feitas de aço inoxidável. Foram realizadas medições de temperatura e velocidade dos gases emitidos pelos queimadores em intervalos de tempo regulares Dados dos equipamentos Forno de panificação Três queimadores a gás Modelo: CG 20 Capacidade máxima: 240 pães tipo francês de 50 gramas Termômetro de bulbo Precisão: ºC Anemômetro Marca Homis Faixa de indicação: 0,3 a 45 m/s Condições ótimas de operação: Temperatura: 0º C a 50ºC Umidade: menor 80% UR Pressão: 500 mb a 2,0 Bar Precisão: 0, m/s Carga de pão 8 GN s com 2 litros de água cada simulado uma fornada com 240 pães Necessários 2 kg de farinha de trigo e 7,2kg de água gelada em torno de 5ºC 3 kg de farinha para cada,8 l de água gelada Resultados Obtidos Os valores lidos e as características físico/químicas do ar em cada leitura foram tabulados. Para um estudo preliminar adotaremos que a temperatura e velocidade são constantes e iguais a mediana dos valores obtidas durante o processo de assar os pães (tabela ). Utilizando a equação da continuidade pode-se determinar a vazão volumétrica dos gases eliminados no escapamento dos queimadores. A opção foi pela mediana por desconhecermos a distribuição de probabilidade resultante. TABELA Mediana dos dados obtidos Temp. mediana entrada ar quente Temp. mediana saída ar quente Velocidade mediana gases forno Diâmetro saída forno Vazão volumétrica gases Vazão mássica dos gases 20 [ºC] 47 [ºC],3 [m/s] 0,46 [m] 0,087 [m³/s] 0,067[kg/s] A simulação do funcionamento do ciclo teve como parâmetro principal a quantidade de calor disponível emitida pelo forno e a quantidade de água gelada necessária. Outros parâmetros utilizados (tabela 2) foram estipulados de acordo com a literatura disponível e trabalhos realizados na área. 7

8 TABELA 2 Dados obtidos na literatura Temperatura sai absorvedor 35ºC Temperatura saída vapor gerador 00ºC Alta pressão Baixa pressão 0 kpa 0,73 kpa Concentração solução forte 65% Concentração solução fraca 55% Temperatura entrada água a ser refrigerada 25ºC Temperatura saída água a ser refrigerada 5ºC Temperatura entrada ar resfriamento 25ºC Com base nos dados de entrada e na modelagem matemática apresentada pode-se determinar as condições de funcionamento em cada equipamento, conforme apresentado na tabela 3. TABELA 3 Condições de funcionamento Ponto* T [ºC] P [kpa] m [kg/s] X [% BrLi] Condição , Liq. comprimido , Vapor superaquecido , Liq. saturado , Liq. saturado 5 4 0,73 0, Vapor saturado 6 5 0,73 0, Liq. saturado ,73 0, Liq. comprimido G e 207 atm 0, G s 8 atm 0, E e 25 atm 0, E s 4 atm 0, * Pontos referentes à figura As dimensões requeridas para o gerador obtidas a partir do equacionamento apresentado são: A req = 0,26 m² Considerando o modelo proposto formado por um casco cilíndrico com serpentina interna com tubulação circular de diâmetro externo 22 mm e interno de 20 mm e comprimento de 600 mm será necessário um espelho com 7 tubos. O sistema tem capacidade frigorífica teórica de 0,45 kw, esse valor pode sofre alterações devido a imposições feitas e parâmetros estipulados para dimensionar o equipamento. As condições ambientes também interferem no ciclo podendo alterar os resultados obtidos. Para refrigerar os 7,2 litros de água necessários para a fabricação dos 240 pães por fornada é necessário um equipamento com capacidade frigorífica mínima de 0,5 kw. Este valor também é sensível as condições ambientes e pode sofrem alterações. 8

9 4 - Conclusão e Modelo Proposto Nas condições analisadas o sistema se mostrou incapaz de satisfazer a necessidade de água gelada requerida para a produção de pães. Para solucionar esse problema propõe-se um sistema de refrigeração de duplo efeito. Primeiro um refrigerador por absorção atua reduzindo a temperatura da água o máximo possível e para atender as exigência de quantidade e temperatura de água gelada um sistema de refrigeração convencional por compressão entra em atuação. Desta forma obtém-se redução de cerca de 89% no consumo de energia elétrica, uma vez que o sistema por compressão opera com uma capacidade frigorífica menor. De acordo com dados obtidos junto Agência Nacional de Energia Elétrica a tarifa de energia da a empresa CEMIG é de 0,4067 R$/kWh, sem a cobrança de impostos e outras tarifas. Para efeito de calculo consideremos que o preço da energia elétrica para o consumidor final seja aproximadamente 0,5 R$/kWh, desta forma a economia máxima de energia por fornada é de 7 centavos de real. Existem restrições quanto a toxidade do brometo de lítio que devem ser analisadas. Trata-se de uma substância que causa irritação nos olhos e na pele quando em contato direto e em caso de ingestão provoca distúrbios intestinais e danos ao sistema nervoso central. O brometo de lítio é tóxico em concentração superiores a 800 mg/kg. No entanto o brometo de lítio opera no ciclo como fluido absorvente e não atua diretamente com a água a ser resfriada, ficando restrito ao gerador de vapor e ao absorvedor. Propõe-se a adoção de duplo sistema de vedação para evitar vazamentos no ciclo. Existem no mercado refrigeradores portáteis que são bi combustíveis. Estes refrigeradores operam com energia elétrica ou podem ser acionados através da queima de gás. Para dar continuidade ao projeto propõe-se a compra de um refrigerador por absorção comercial disponível no mercado para a confecção de protótipo. O modelo recomendado é F 400 EGP Marca Dometic. A etapa seguinte do projeto é a verificação dos parâmetros e exigências técnicas para a patente do produto. Bibliografia CARVALHO, E. N. Desenvolvimento de um absorvedor compacto para unidade de absorção. Universidade de Brasília, Brasília, DF, INCROPERA, F. e DeWITT. Fundamentos da Transferência de Calor e Massa. Tradução por Sérgio Stamile Soares; Rio de Janeiro, 998. ÖZIªIK, M. N. Transferência de Calor Um Texto Básico. Tradução por Luiz de Oliveira; Rio de Janeiro, 990. SANTOS, P.; SANTOS, C.; VARANI, C.; SOUZA, C; MORREIRA, H. Desenvolvimento de um sistema de refrigeração por absorção de duplo efeito utilizando a solução brometo de lítio água e gás natural como fonte de calor. Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa, 200. TEIXEIRA, R. R. Desenvolvimento de um gerador compacto para unidades de refrigeração por absorção. Universidade de Brasília, Brasília, DF,