Desenvolvimento de um sistema energético sustentável para uma aldeia rural semm recurso a electricidade localizada em Moçambique

Transcrição

1 Ciclo de d absorção Ricardo de Castro Amorim A Desenvolvimento de um sistema energético sustentável para uma aldeia rural semm recurso a electricidade localizada em Moçambique Estudoo de alguns ciclos de refrigeração Abordagem ao ciclo de absorção Colaborando com: MIEM Porto, /02/2010 Página 1 de 9

2 Nota Importante Ciclo de absorção Esta página tem como propósito orientar os leitores deste documento sobre as alterações que foram efectuadas. Desta forma os leitores poderão acompanhar a evolução do projecto e a bibliografia consultada sobre este tema. A data indicada no documento é a mais actual. 22/02/2010 Bibliografia consultada: Dinçer, Refrigeration Systems and Applications, Wiley, West Sussex, 2003 pag ; pag. 197 a 200 ASHRAE, Refrigeration: 1998 ASHRAE handbook, 2 nd edition, Am. Soc. Heat., Refrig., Air-Cond. Eng., USA, /02/2010 Bibliografia consultada: K. E. Herold, Reinhard Radermacher, Sanford A. Klein, Absorption chillers and heat pumps, CRC Press, 1996 pág. 21; pág. 194 (9.2.3) 08/02/2010 Página 2 de 9

3 Sistemas de refrigeração Os sistemas de refrigeração dividem-se em 3 categorias: Operados electricamente Operados termicamente Híbridos No projecto em causa não faz sentido abordar os sistemas de refrigeração operados electricamente visto que a aldeia não tem acesso à rede eléctrica. Os híbridos são bastante interessantes principalmente quando combinados com a energia proveniente do sol visto que minimizam o consumo de recursos naturais. Estes poderão ser abordados mais tarde, mas neste documento apenas vou abordar os sistemas de refrigeração operados termicamente. Vou abordar outros sistemas de refrigeração para comparar com o ciclo de absorção. Ciclo de absorção Princípio de operação Na Figura 1 Esquema dos componentes de um ciclo básico de absorção encontra-se o esquema dos componentes e trocas de calor que existem num ciclo básico de absorção. Este sistema partilha alguns componentes com o ciclo frigorífico por compressão de vapor, nomeadamente o condensador, válvula de laminagem e evaporador. A grande diferença está na forma como o vapor é comprimido entre o evaporador e o condensador. O compressor de vapor é substituído por um compressor térmico. Na Figura 2 Esquema mais detalhado do ciclo básico de absorção ilustra-se um esquema mais detalhado do ciclo de absorção. Calor para o ambiente Condensador Gerador E. Primária Evaporador Calor retirado do espaço Absorvedor Calor para o ambiente Figura 1 Esquema dos componentes de um ciclo básico de absorção 08/02/2010 Página 3 de 9

4 Condensador Calor para o ambiente Gerador E. Primária Válvula de laminagem b Evaporador Calor retirado do espaço Absorvedor Calor para o ambiente Figura 2 Esquema mais detalhado do ciclo básico de absorção O compressor térmico é constituído pelo gerador, válvula de laminagem, absorvedor e bomba de circulação. Com o recurso a energia primária fornecesse calor à solução homogénea, dita forte, e a elevadas temperaturas dá-se a separação do fluido refrigerante do absorvente. O gerador funciona de forma a garantir que apenas o refrigerante entre no condensador e envia para o absorvedor a solução, dita fraca. A válvula de laminagem encarrega-se de reduzir a pressão para que o absorvente entre no absorvedor à pressão do evaporador. A mistura do absorvente com o vapor refrigerante, que vem do evaporador, dá-se a baixas temperaturas no absorvedor. Análise detalhada do ciclo de absorção Para haver uma melhor compreensão de como funciona o compressor térmico analisase de seguida mais detalhadamente cada passo e tendo em mente a Figura 2 Esquema mais detalhado do ciclo básico de absorção: 4-5: O vapor refrigerante formado no evaporador é absorvido pela solução, dita fraca, proveniente de 8. O absorvedor deve ser arrefecido de forma a manter a temperatura constante com a consequência do processo de absorção cessar. A energia cedida ao ambiente provém do calor latente de condensação, do calor sensível e do calor de diluição. 5-6: A solução líquida formada no processo anterior, dita forte, é bombeada para o gerador que se encontra à pressão de condensação do ciclo. 6-1: No gerador é fornecido calor para libertar o vapor refrigerante dando-se a separação dos fluidos, refrigerante e absorvente. O vapor refrigerante segue para o condensador. 7-8: A solução que resulta da separação dos dois fluidos, dita fraca, vai para o absorvedor e é expandida na válvula de laminagem de modo a que a sua pressão seja igual à pressão no evaporador. 08/02/2010 Página 4 de 9

5 Os restantes processos do ciclo são idênticos ao de um ciclo de compressão de vapor. Comparação entre um ciclo de compressão de vapor e um de absorção Como foi dito anteriormente existem semelhanças entre os dois ciclos. No entanto, os fluidos de trabalho são diferentes. Os refrigerantes utilizados num ciclo de compressão de vapor são potenciais destruidores da camada de ozono e do efeito de estufa. Já os refrigerantes utilizados nos ciclos de absorção não apresentam nenhum perigo para a camada de ozono. Os refrigerantes utilizados num ciclo de absorção não necessitam de conter lubrificantes que normalmente são adicionados por causa do compressor de vapor. Uma vantagem para os ciclos de compressão de vapor é claramente o seu Coeficient Of Performance (COP) que é bastante superior ao COP dos ciclos de absorção. Há que ter em conta como é que a energia eléctrica é produzida. A queima de combustíveis fósseis aumenta as emissões de gases de efeito de estufa. Com um ciclo de absorção pode-se utilizar fontes de energia renováveis para fornecer calor ao gerador. Além disto a forma de energia mais nobre é o trabalho e é mais cara do que a energia térmica. Portanto, a comparação destes dois ciclos não se pode fazer apenas pelo COP. Os ciclos de absorção obrigam a investimentos de capital inicial maiores, mas possivelmente pode-se recuperar o investimento. A razão para o maior investimento é o facto do maior número de componentes aumentando também a complexidade do projecto. Também nestes ciclos existe consumo de energia eléctrica, no entanto, é bastante inferior em relação a um ciclo de compressão de vapor. A razão é óbvia pois a função da bomba num ciclo de absorção é comprimir liquido ao passo que num ciclo de compressão de vapor estamos a comprimir vapor. Outra aplicação que se torna uma vantagem para um ciclo de absorção é o aproveitamento de efluentes industriais quentes que normalmente são desperdiçados. Neste caso, onde se aproveita a energia térmica contida no fluído podemos considerar que é energia gratuita, pois se não for aproveitada é rejeitada para a fonte fria (ambiente). Também em combinação com centrais de cogeração pode-se produzir frio (trigeração). Novamente comparando ciclos frigoríficos apenas considerando o COP não se chega a uma conclusão realista de qual o melhor ciclo para uma determinada aplicação. Quando a fonte de energia é gratuita o COP não apresenta um peso muito grande na decisão (em termos económicos). Aplicações do ciclo de absorção Antes de surgirem os ciclos operados electricamente já existiam sistemas de refrigeração operados termicamente. Nas últimas décadas a disponibilidade de electricidade barata tornou os ciclos de absorção menos populares. Ultimamente o interesse pelos ciclos de absorção tem aumentado devido ao desenvolvimento tecnológico dos mesmos, o aumento do preço da electricidade e o impacto ambiental que a produção de electricidade implica. A 08/02/2010 Página 5 de 9

6 atracção por estes ciclos para aplicações domésticas e industriais tem crescido por causa das seguintes vantagens, entre outras mais, em relação a outros sistemas [3]: Operação silenciosa Elevada fiabilidade Tempo de vida útil elevado Aproveitamento eficiente e económico de fontes de baixa exergia Existem muitas aplicações para estes ciclos e da mesma fonte bibliográfica [3] saliento as seguintes: AVAC Refrigeração Câmaras frigoríficas Cogeração mais produção de frio (trigeração) COP do ciclo ideal de absorção Segundo [1] o COP máximo, considerando o ciclo totalmente reversível é dado pela equação seguinte: á = eq. 1 Sendo T E a temperatura no evaporador; T G a temperatura no gerador; T 0 a temperatura ambiente. Através da equação acima conclui-se que o COP do ciclo ideal de absorção aumenta com o aumento da temperatura do gerador e com o aumento da temperatura de evaporação. O ciclo real apresenta, porem, valores de COP bastante inferiores aos obtidos pela equação, tipicamente inferiores à unidade. [1]. Se tivermos em conta os ciclos de absorção de duplo efeito obtêm-se COP um pouco superiores à unidade. Aumentar o COP do sistema Por vezes aplica-se um recuperador de calor entre o gerador e o absorvedor, aumentando assim o COP do sistema. Com o objectivo de aumentar o COP do ciclo de absorção utiliza-se um ciclo que acaba por ser dois ciclos (Multiple-Effect Systems). Existe um segundo par gerador/absorvedor que é alimentado pela fonte térmica e o calor rejeitado no condensador deste é transmitido para o segundo gerador do sistema. Este efeito é comparável aos múltiplos andares de compressão num ciclo de compressão de vapor. O aumento do número de pares torna-se pouco atractivo pois aumenta os custos iniciais, corrosão, limites de temperatura e pressão. Optimizar um ciclo tendo em conta apenas o COP pode não ser suficiente. Para este ser máximo, em termos termodinâmicos, a carga tinha de ser nula. 08/02/2010 Página 6 de 9

7 Pares refrigerante-absorvente Existem bastantes pares refrigerante-absorvente. Para que estes sejam utilizados num ciclo de absorção têm que satisfazer minimamente um conjunto de características, que são abordados na bibliografia. Não existe nenhum par que satisfaça todos os requisitos exigidos, sendo algumas combinações incompatíveis, no entanto, existem alguns pares que apresentam algumas características que são um bom compromisso com outras. Os pares refrigeranteabsorvente mais utilizados são: Água-Brometo de lítio Amoníaco-Água Estes pares conseguem satisfazer uma série de características que são essenciais ao bom funcionamento do ciclo. No entanto, têm algumas limitações, nomeadamente, o primeiro par obriga a que a temperatura de saída do evaporador seja superior a 0ºC (normalmente superior a 4ºC) para evitar o congelamento da água nas tubagens, problemas de corrosão a temperaturas superiores a 177ºC e problemas de cristalização do Brometo de Lítio. O par Amoníaco-Água tem como limitação a toxicidade do amoníaco e a sua volatilidade. No entanto, devido ao intenso cheiro do amoníaco é fácil detectar fugas no sistema. Este par permite atingir temperaturas no condensador mais baixas do que o par H2O-LiBr porque o refrigerante não é a água (abaixo dos 0ºC). Em termos de pressão de utilização nenhum deles apresenta aspectos favoráveis. As pressões no ciclo utilizando o par H2O-LiBr são muito baixas, em relação à pressão atmosférica, enquanto as pressões utilizadas no segundo par são muito altas. As características dos pares refrigerante-absorvente são importantes, pois a performance do ciclo depende do par escolhido. Além disto o par Amoníaco-Água exige mais um componente no ciclo, um rectificador. A rectificação é obrigatória porque a água também é volátil e sem rectificação não é possível separar completamente a água do amoníaco. Só depois do rectificador é que o vapor de água é conduzido para o condensador. Quando se compara a performance de um ciclo de absorção de simples efeito utilizando o par Água-Brometo de Lítio com o par Amoníaco-Água concluí-se que o primeiro par torna o ciclo mais eficiente. As razões estão escondidas nas propriedades do fluído de trabalho. O calor específico do primeiro par é metade comparativamente com o do segundo par. Isto significa que qualquer ineficiência nas trocas de calor penaliza menos o par H2O-LiBr. O segundo par também exige no gerador uma quantidade maior de calor para conseguir aumentar a sua temperatura. O calor latente da água é duas vezes superior ao da amónia o que implica para a mesma capacidade de arrefecimento maiores caudais para o segundo par. 08/02/2010 Página 7 de 9

8 Outros sistemas de refrigeração accionados termicamente Ciclo Ejector Inicialmente este tipo de ciclo começou a ter aplicações significativas na refrigeração por terem custos mais baixos do que os restantes sistemas, praticamente ausência de partes móveis e também por utilizarem refrigerantes verdes. Muitas vezes este sistema é referido como ciclo de refrigeração por jacto de vapor, pois utiliza água como refrigerante. Estes sistemas são idênticos aos de compressão de vapor à excepção do modo como a compressão do fluido se processa. A diferença está na aplicação de um ejector em vez de um compressor. Vapor de água com uma temperatura e pressão elevada entra na primeira câmara do ejector e expande aumentando assim a sua velocidade arrastando consigo o vapor produzido no evaporador e misturando-se no ejector (câmara de mistura). Reduzindo a pressão forma-se vapor de água diminuindo a temperatura da água e produz-se assim o efeito de refrigeração. A saída do ejector está ligada ao condensador onde o refrigerante volta ao estado líquido. O refrigerante líquido formado no condensador é dividido entre a caldeira e o evaporador. Para diminuir a pressão utiliza-se uma válvula de expansão e o refrigerante entra no evaporador. Antes de entrar na caldeira o fluido passa por uma bomba de água. O COP destes ciclos é inferior ao COP de um ciclo de absorção. Experiências realizadas por Aphornratana et al. mostraram que este tipo de sistema de refrigeração, utilizando como fluido de refrigeração o R-11, consegue performances razoáveis atingindo temperaturas baixas (-5ºC). Com o COP a variar entre 0,1 e 0,25 e potências de arrefecimento entre os 500 e os 1700 W. Há estudos que comprovam que o ciclo ejector pode trabalhar sem o recurso a uma bomba circuladora, minimizando ainda mais o número de peças móveis. 08/02/2010 Página 8 de 9

9 Bibliografia [1] Afonso, C. Félix, Sebenta de refrigeração, Aefeup Editorial, 2007 [2] ASHRAE, Refrigeration: 1998 ASHRAE handbook, 2 nd edition, Am. Soc. Heat., Refrig., Air-Cond. Eng., USA, 1998 [3] Dinçer, I., Refrigeration Systems and Application, Wiley, West Sussex, 2003 [4] Herold, K. E.; Radermacher, Reinhard; Klein, Sanford A., Absorption chillers and heat pumps, CRC Press, 1996 [5] Wang, Shan K. Handbook of Air Conditioning and Refrigeration, McGraw-Hill, 2 nd editon, /02/2010 Página 9 de 9