ANÁLISE DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO, QUE TEM COMO FONTE TÉRMCA GASES DE EXAUSTÃO, DE UMA PLANTA DE COGERAÇÃO APLICADA EM EMBARCAÇÕES PESQUEIRAS ABSTRACT: CONEM2012-1428 Resumo: O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de cogeração aplicado a barcos pesqueiros da costa nordestina, que apresentam elevados custos de operação e baixa lucratividade devido ao uso de blocos de gelos para a conservação do pescado. Esse tipo de refrigeração além de limitar o tempo de pesca, aumenta o peso da embarcação, implicando no elevado consumo de combustível. Para minimizar os custos durante a jornada de pesca, será proposta a utilização de combustíveis mais baratos como, por exemplo, o gás natural e um sistema de refrigeração por absorção que utilizará os resíduos térmicos provenientes da queima do gás natural para a produção de frio em sistema de cogeração, que poderá diminuir o peso da embarcação ou aumentar o tempo da jornada de pesca no mar. Durante a locomoção da embarcação o sistema de refrigeração por absorção será alimentado pelos gases de exaustão provenientes da queima do combustível. Serão realizadas simulações computacionais através de um modelo matemático desenvolvido em plataforma EES (Engineering Equation Solver) e este será baseado nas 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica. A análise termodinâmica será feita com a finalidade de se obter uma ferramenta de projeto para sistemas de cogeração aplicados à embarcações pesqueiras. Palavras-chave: Absorção, Cogeração, Simulação, Exergia 1. INTRODUÇÃO A indústria pesqueira do nordeste brasileiro opera de forma artesanal, apresentando custos elevados e baixa lucratividade. Um dos motivos para essa situação é a forma de conservação do pescado, que é realizada através da utilização de blocos de gelo. Estima-se atualmente que, para as embarcações em atividade no nordeste o combustível representa 60% dos custos da jornada de pesca. Esse tipo de refrigeração além de limitar o tempo de pesca, aumenta o peso da embarcação, implicando no elevado consumo de combustível, na tentativa de minimizar os custos desta atividade e aumento do tempo em alto mar durante a jornada de pesca, será proposta a utilização de combustíveis mais baratos como, por exemplo, o gás natural e um sistema de refrigeração que diminuísse o peso da embarcação ou aumentasse a sua autonomia. Entre os sistemas de refrigeração utilizados se destacam os de compressão a vapor, que utilizam energia elétrica, e os de absorção, que utilizam energia térmica para a produção de frio. Segundo Mühle (2003) os sistemas de refrigeração por absorção apresentam vantagens em relação aos sistemas de refrigeração por compressão, como: Consumo de 5 a 10% da energia elétrica de uma instalação com compressores; Rendimento constante com a capacidade reduzida representa uma grande vantagem sobre os compressores de grande porte, em que a capacidade reduzida apresenta baixo rendimento; Manutenção reduzida por ausência de máquinas; Investimento consideravelmente menor do que em instalações de igual capacidade com compressores; Operação segura, pois não é afetada por aspiração de líquidos (muito problemática com compressores); Fácil eliminação de ar do sistema: (i) não é afetada por contaminação da NH 3 por água e (ii) os evaporadores não tem seu rendimento afetado pela presença de óleo lubrificante; Como o sistema de absorção transporta massas e não volumes, a sua capacidade em função da diminuição da temperatura de evaporação é bem menor do que em instalações com compressores. Uma das alternativas para essa situação da indústria pesqueira nordestina seria unir a queima direta de gás natural no motor de combustão interna para o deslocamento da embarcação e a utilização do rejeito térmico como fonte para o sistema de refrigeração por absorção para a produção de frio. Este processo configura a cogeração, que com apenas uma fonte de energia, é possível movimentar a embarcação e gerar frio. A refrigeração por absorção se torna economicamente atrativa ao utilizar resíduos térmicos, como os gases de exaustão de um motor, na faixa de temperatura de 100 a 300 C. Entretanto, esses sistemas de refrigeração têm sido evitados em instalações comerciais e industriais de grande porte por exigirem grandes quantidades de resíduos térmicos.
Apesar das vantagens do sistema de absorção, o sistema de refrigeração mais utilizado tem sido o de compressão a vapor por ser ainda o mais comercialmente difundido. Nos últimos anos, o aumento da acessibilidade ao gás natural e o contínuo aumento dos custos de energia têm recomendado o uso de novas tecnologias e a utilização de equipamentos de elevada eficiência nos sistemas de cogeração. Neste novo cenário, o sistema de cogeração de pequena escala composto por um motor a combustão interna (queima de gás natural), um sistema de absorção (amônia-água) se torna atrativo para embarcações pesqueiras. Os sistemas de cogeração de pequena escala que utilizam chillers de absorção para produção de frio e geradores de energia elétrica (microturbinas ou moto-geradores) têm sido investigados de forma teórica e experimental, e os resultados recentes dessas investigações demonstram a confiabilidade da operação dessas plantas e o alto desempenho global desses sistemas (MEDRANO et al., 2006; TAKESHITA et al., 2005; RUCKER et al.,2003; RUCKER; BAZZO, 2004; ROSSA; BAZZO, 2006, 2009). Outro tipo de cogeração foi estudado de forma teórico e experimental por Tien et al. (2007). Nele a queima de combustível cogera força motriz para o barco e utiliza os gases de exaustão para a geração de vapor para produção de energia elétrica através do ciclo de Rankine. Mühle (2003) foi quem primeiro implantou uma planta de cogeração em uma embarcação pesqueira no sul do Brasil. Esta planta de cogeração utiliza os gases de descarga do motor de propulsão do barco como fonte térmica para o sistema de absorção. De acordo com Mühle (2003), a instalação de absorção usa energia térmica de baixo custo, ou calor restante totalmente gratuito, para a produção de frio. A instalação de absorção se distingue das instalações por compressão pela ausência da compressão mecânica dos gases. Nela os gases são absorvidos por um líquido a pressão de evaporação e uma bomba eleva a pressão desta solução até a pressão de condensação. A energia gasta para o bombeamento da solução é apenas 5 a 10% da energia gasta pelos compressores. A ligação entre os gases de exaustão do sistema de geração e o sistema de refrigeração por absorção geralmente é feita através de um trocador de calor intermediário. Alguns pesquisadores realizaram simulações de sistemas de cogeração não levando em conta esse trocador de calor intermediário (SANTOS, 2005; MARQUES, 2005; MARQUES et al., 2006), isto é, os gases de exaustão do motor de combustão interna escoavam diretamente através do gerador de vapor do sistema de absorção, entretanto as linhas de pesquisas desses pesquisadores era puramente teórica. Já outros pesquisadores (ROSSA; BAZZO, 2006, 2009; CARVALHO, 2010) - cuja linha de pesquisa era teórica-experimental, que também realizaram pesquisas sobre sistemas de cogeração - perceberam a necessidade da utilização de um trocador de calor intermediário que fizesse a ligação entre o motor de combustão interna (no caso particular destes três últimos, uma microturbina) e o sistema de absorção. Eles observaram ainda que quanto maior a e eficiência desse trocador, maior a e eficiência do sistema de cogeração. 2. MODELAGEM TERMODINÂMICA Para a análise termodinâmica da planta de cogeração serão aplicadas as equações de conservação da massa e conservação da energia (Primeira Lei da Termodinâmica), mas apenas a análise com primeira lei da termodinâmica apresentará limitações, pois ela não leva em consideração as irreversibilidades presentes no sistema, logo é necessário o balanço de entropia (Segunda Lei da Termodinâmica) que será útil para a avaliação do desempenho dos componentes apresentada a seguir: = (1) = + (h ) (h ) (2) = + + (3) Onde: h h Fluxo de massa que entra no volume de controle (kg/s); Fluxo de massa que sai do volume de controle (kg/s); Entalpia específica na entrada do volume de controle (kj/kg); Entalpia específica na saída do volume de controle (kj/kg); Entropia específica na entrada do volume de controle (kj/kg); Entropia específica na saída do volume de controle (kj/kg); Temperatura superficial do volume de controle (K); Fluxo de calor no volume de controle (kw); Potência referente ao volume de controle (kw); Geração de entropia do volume de controle (kw/k). A planta de cogeração é composta por de uma unidade de refrigeração por absorção NH 3 /H 2 O, que possui uma configuração do ciclo básico, para sistemas que operam com a par água amônia e pode ser visto na Figura 1, constituído
de gerador+retificador de vapor de refrigerante, condensador, válvula de expansão, evaporador, absorvedor, trocador de calor intermediário e uma bomba de solução, além de um motor de combustão interna, operando segundo um ciclo Otto. Figura 1. Planta de Cogeração. 2.1. MODELAGEM TERMODINÂMICA DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Para a modelagem termodinâmica do motor de combustão interna é utilizado um motor Megatech-190, como referência para o estudo em questão. O motor utiliza o gás natural como combustível e a composição deste é mostrada na tabela 1 fornecida pela empresa distribuidora de gás natural. Tabela 1. Composição média do combustível (Fonte: PBGÁS). Composição % Vol. Metano 90.09 Etano 6,84 Dióxido de Carbono 1,56 Nitrogênio 1,35 Propano 0,16 A combustão é simulada utilizando-se a composição do combustível. Em seguida, através de um balanço estequiométrico, determinam-se os coeficientes da reação química da combustão com excesso de ar e a relação arcombustível. A Eq. 4 apresenta a modelagem da combustão baseada na queima estequiométrica do gás natural com excesso de ar. 0,9009 +0,0684 $ % +0,0016 ' ( +0,0135+ $ +,-. /0.12 $ 3,76+ $ 52 $. $ 2+ $,2 $ (4) Os coeficientes a, b, c, d e e da Eq. (4) representam os coeficientes da equação da combustão a serem determinados. A energia contida no combustível é calculada através do seu poder calorífico, dada pela Eq. (5). Q7m 9:;<.PCI 9:;< (5) A determinação da exergia química do combustível é obtida através da Eq. (6), proposta por Kotas (1995). ex 9B ϕ.pci 9:;< (6) O fator ϕ é o fator de correção para o cálculo da exergia química de combustíveis. A Eq. (7) refere-se ao fator de correção para combustíveis líquidos, onde h e c referem-se às frações mássicas de hidrogênio e carbono presentes no combustível, respectivamente.
ϕ=1,0401+0,1728. H C (7) A exergia introduzida ao motor de combustão interna, pelo combustível, é dada pela Eq. (8). Ex 9:;<=m 9:;<.ex 9B A vazão mássica dos gases de exaustão é calculada através da massa de mistura ar-combustível introduzida no motor e supondo queima total dessa massa. Logo, pela conservação da massa, a vazão mássica dos gases de exaustão é igual a de mistura e pode ser estimada através da seguinte expressão: G = HIJKG = M $ INJ O.+.P QRS.T2.U HIJ (9) Onde: $ INJ Diâmetro interno do cilindro (m); O Curso (m); + Número de cilindros do motor; P QRS Rendimento Volumétrico; T2 Rotação do motor; Densidade da mistura. U HIJ A energia dos gases de exaustão, do motor de combustão, que irá acionar termicamente o sistema de refrigeração por absorção é calculada a partir da Eq. (10). G = G. VG.Δ (10) (8) O cp da mistura é obtido pela média ponderada do somatório dos calores específicos dos elementos que compõem os gases de exaustão, em função da temperatura, e a fração mássica de cada um dos elementos, conforme apresentado pela Eq. (11). VG =- I. VI (11) A exergia dos gases de exaustão é dada pela soma das parcelas termomecânica (física) e química, obtidas pelas Eq. (12) e (13), respectivamente. \ Ex XYZ[Z =m XYZ[Z.]^h` h`ab T a.s s af (12) 9B 9B Ex XYZ[Z =m XYZ[Z.gx 7.ex 7 7hi +R.T a x 7.lnx 7 m 7hi (13) Logo, a exergia total dos gases de exaustão é dada pela Eq. (14). - G =- n G op +- G (14) 2.2. MODELAGEM TERMODINÂMICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO Determina-se a eficiência de primeira lei para o motor através da Eq. (15) do sistema de refrigeração pela Eq. (16) e para unidade como um todo pela Eq.(17). P HRJR = HRJR.100 (15) N.qr QGVRGsR 2q= GsR + trhtg (16)
P SRtGS = HRJR+QGVRGsR N.qr.100 (17) Analogamente a análise de primeira lei, pode-se determinar os coeficientes para a análise de segunda lei, pois a análise exergética leva em consideração as irreversibilidades que não foram computadas pela analise de primeira lei, logo as eficiências de segunda lei para o motor através da Eq. (18) do sistema de refrigeração pela Eq. (19) e para unidade como um todo pela Eq.(20). u HRJR = HRJR.100 (18) v. N.qr u GtRçãR = - QGVRGsR - GsR.100 (19) u SRtGS = HRJR+- QGVRGsR.100 (20) v. N.qr Os resultados dessas equações podem ser encontrados na Tab. (6) e retratam o desempenho energético e exergético do sistema. 3. RESULTADOS A Tabela 2 apresenta os dados de entrada utilizados no código computacional para a determinação de todos os outros parâmetros estudados na avaliação termodinâmica. Os resultados foram determinados com rotação a 2500 RPM. Tabela 2. Parâmetros de entrada do motor e do sistema de refrigeração. Temperatura ambiente 30 C Pressão atmosférica 101 KPa Motor Megatech-190 Número de cilindros do motor 4 cilindros Diâmetro interno do cilindro do motor 140 mm Curso do pistão do motor 157 mm Taxa de compressão do motor de combustão 10:1 Temperatura de evaporação do sistema de refrigeração -10 ºC Concentração do vapor de amônia utilizado na refrigeração 0,9996 Diferença de concentração entre solução fraca e for 0,1 (largura do processo) do sistema de refrigeração
3.1. Resultados para o motor de combustão interna A figura 3 mostra a variação da quantidade de calor em função da rotação. São apresentadas as curvas para a combustão ocorrendo sem excesso de ar, 10%, 20%, 30%, 40% e 50% de ar em excesso. 300 Gases de Exautão (KW) 250 200 150 100 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 ROTAÇÃO (RPM) Figura 2. Variação dos gases de exaustão com a rotação do motor. 50% de ar 40% de ar 30% de ar 20% de ar 10% de ar Sem excesso 3.2. Resultados do sistema de refrigeração por absorção O sistema de cogeração foi simulado levando em conta a capacidade térmica dos gases de exaustão do motor de combustão interna. Um motor Megatech-190 simulado a gás natural foi escolhido e a sua potência foi variada em função da sua rotação. A Tab. 2 apresenta os resultados de todos os pontos do sistema de cogeração para um rotação de 2500 rpm. Os parâmetros determinados na análise são: temperatura, pressão, concentração da solução, entalpia, entropia, vazão e exergia para os fluxos do sistema de refrigeração proposto. Tabela 2 - Estados termodinâmicos do sistema de refrigeração Pontos Fluxos T P x h s m ex C kpa kj/kg kj/kg-k kg/s kj/kg 1 Entrada de combustível 30 101 0,32369 1253,69 4 Gases de exaustão 432,1 246,4 0,24369 5 Refrigerante vapor (amônia concentrada) 44,07 1556 0,9996 1297 4,182 0,05772 371,4 6 Refrigerante líquido saturado 40 1556 0,9996 190,8 0,6578 0,05772 315,8 7 Refrigerante mistura bifásica - 14,14 244,8 0,9996 190,8 0,7527 0,05772 287,5 8 Refrigerante vapor saturado -10 244,8 0,9996 1259 4,861 0,05772 130,7 9 Solução concentrada líquido saturado 40,55 244,8 0,368-39,7 0,4821 0,4223 2,825 10 Solução concentrada líquido comprimido 39,67 1556 0,368-42,74 0,4677 0,4223 4,074 11 Solução concentrada líquido comprimido 108 1556 0,368 262,4 1,349 0,4223 46,47 12 Solução diluída líquido saturado 131 1556 0,268 401,1 1,651 0,3646 70 13 Solução diluída líquido saturado 71,02 1556 0,268 131,9 0,9315 0,3646 15,45 14 Solução diluída mistura bifásica 63,01 244,8 0,268 131,9 0,9369 0,3646 13,84 16 Entrada de água gelada líquido comprimido 12 50,46 0,1804 2,944 1,221 17 Saída de água gelada líquido comprimido 7 29,51 0,1063 2,944 2,371 Os símbolos usados nas equações devem ser definidos imediatamente antes ou depois de sua primeira ocorrência no texto do A Fig 3 mostra a variação dos fluxos de calor, considerando combustão completa ( sem excesso de ar) de cada volume de controle em função da rotação do motor de combustão interna.
Figura 3. Variação dos fluxos energéticos do sistema de refrigeração por absorção. A Fig. 4 mostra a variação do coeficiente de performance de 1ª e 2 ª lei em função da variação da largura de processo. 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 COP1 P {ª zi COP P $ª zi 0,1 0 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Figura 4. Variação dos rendimentos de 1ª e 2ª lei em função da largura de processo. Vê-se a seguir, na Tabela 3, como a variação da rotação influencia no valor das irreversibilidades de cada componente do ciclo de refrigeração. Nota-se que com o aumento da rotação do motor maior será a irreversibilidade de todos os componentes e, além disso, os componentes que possuem os maiores valores são o gerador e absorvedor, em ordem decrescente. Tabela 3 - Variação das irreversibilidades nos componentes de acordo com a rotação do motor ROTAÇÃO RPM Largura de Processo IRREVERSIBILIDADE (KW) ABSOR. BOMBA COND. EVAP. GER. TROC. 1000 3,44 0,3027 0,06031 0,3406 4,08 0,7927 1500 5,159 0,454 0,09046 0,5109 6,12 1,189 2000 6,879 0,6053 0,1206 0,6812 8,16 1,585 2500 8,599 0,7566 0,1508 0,8515 10,2 1,982 3000 10,32 0,908 0,1809 1,022 12,24 2,378 3500 12,04 1,059 0,2111 1,192 14,28 2,774
4. AGRADECIMENTOS À Deus, pela minha existência e por me acompanhar e dar suporte em todos os momentos, à minha família, pela formação ética, moral ajuda e apoio a todos os instantes, de forma incondicional, ao meu orientador Prof. Dr. Carlos Antônio Cabral dos Santos e Prof. Dr. Paulo Henrique Dias dos Santos, aos amigos e funcionários do LES-UFPB por terem proporcionado as condições necessárias para o desenvolvimento do trabalho e a CAPES, por ter concedido a bolsa de estudo, que propiciou suporte financeiro para o desenvolvimento deste trabalho. 5. REFERÊNCIAS CARVALHO, A. N. Análise Experimental e Exergoeconômica de um Sistema Composto de Cogeração a Gás-Natural. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, 2010. MARQUES, A. S. Análise Termoeconômica de um Sistema de Refrigeração Automotivo por Absorção. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal da Paraíba, 2005. MARQUES, A. S.; SANTOS, C. A. C.; SANTOS, C. M. S.; TORRES, E. A.; SOUZA, W. L. Análise Termoeconômica de um sistema de refrigeração automotivo. In: 11 th Brazilian Congress of Thermal Science and Engineering, Curitiba, Brasil. [S.l.: s.n.], 2006. MEDRANO, M.; MAUZEY, J.; MCDONELL, V.; SAMUELSEN, S.; BOER, D.Theoretical analysis of a novel integrated energy system formed by a microturbine and an exhaust red single-double effect absorption chiller. International Journal of Thermodynamics, v. 9, p. 29{39, 2006. MUEHLE, I. N. Instalações de refrigeração por absorção - a experiência da madef. In:An. 3. Enc. Energ. Meio Rural (Scielo). [S.l.: s.n.], 2003. ROSSA, J. A.; BAZZO, E. Thermodynamic modeling and second law for an ammonia-water absorption system associated to a microturbine. In: Proceedings of ECOS 2006 18th International Conference on Eciency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems - Aghia Pelagia, ISBN 960-87584-1-6, Vol 2, pp 651-658; Greece. [S.l.: s.n.], 2006. ROSSA, J. A.; BAZZO, E. Thermodynamic modeling of an ammonia-water absorption system associated with a microturbine. International Journal Thermodynamics, v. 12, p. 38{43, 2009. RUCKER, C. P. R.; BAZZO, E. Exergoeconomic optimization of a small scale cogeneration system using the exergy cost theory. In: Proceedings of ECOS 2004 16th International Conference on Effciency, Costs, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy and Process Systems ISBN-968-489-027-3, Vol. II, pp. 619-628; Guanajuato, vol. II, pp. 619-628. [S.l.: s.n.], 2004. RUCKER, C. P. R.; BAZZO, E.; JONSSON, M. R.; KARLSSON, S. J. Exergy analysis of a compact microturbineabsorption chiller cogeneration system. In: Proceedings of COBEM 2003, São Paulo, Brazil. [S.l.: s.n.], 2003. SANTOS, P. H. D.; VARANI, C. M. R.; SANTOS, C. A. C. Simulação e análise termodinâmica de um sistema de refrigeração por absorção de triplo efeito. In: I Encontro de Estudantes da RECOGAS (III Seminário de Avaliação da RECOGAS), João Pessoa, Brasil. [S.l.: s.n.], 2005. TAKESHITA, K.; AMANO, Y.; HASHIZUME, T. Experimental study of advanced cogeneration system with ammonia-water mixture cycle at bottoming. Energy, v. 30, p. 247-260, 2005. TIEN, W.-K.; YEH, R.-H.; HONG, J.-M. Theoretical analysis of cogeneration system for ships. Energy Conversion and Management, v. 48, p. 1965-1974, 2007.
ABSORPTION REFRIGERATION SYSTEM ANALISYS, THAT USES EXHAUST GASES AS HEATING SOURCE, AT THE COGENERATION PLANT TO APPLY IN FISHING BOATS ABSTRACT: CONEM2012-1428 Abstract: The current work aims to develop a cogeneration system applied to fishing boats in the northeastern coast, which have high operating costs and low profitability due to the use of ice blocks for the fishing conservation. This cooling type besides limiting the fishing lengthincreases boat weight, resulting in high fuel consumption. To minimize costs during the fishing journey, it will be propose the use of cheaper fuels such as natural gas and anabsorption refrigeration system which uses heat residues from the natural gas combustion for the cold production at the cogeneration system, which can decrease the boat weight orto increase the fishing time at the sea. During the boat movement, the absorption refrigeration system is powered by exhaust gases from fuel combustion. Computer simulations are performed by a mathematical model developed in platform EES(Engineering Equation Solver) and this will be based on 1st and 2nd Laws of Thermodynamics. The thermodynamic analysis will be done in order to obtain a design tool for cogeneration systems applied to the fishing boats. Keywords: Absorption, Cogeration, Simulation, Exergy