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Seminário: DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE REFRIGERADORES DE ABSORÇÃO E TROCADORES DE CALOR PARA GASES DE EXAUSTÃO – DORAGEX Projeto CNPq 520120/2005-1.

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1 Seminário: DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE REFRIGERADORES DE ABSORÇÃO E TROCADORES DE CALOR PARA GASES DE EXAUSTÃO – DORAGEX Projeto CNPq / Emerson Dilay, Msc. Orientador: Prof. José Viriato Coelho Vargas, PhD 2010

2 Apresentação Objetivo; Introdução; Materiais e Métodos; Resultados; Discussão; Agradecimentos; Referências;

3 Objetivo Construção de um protótipo elementar de máquina de refrigeração por absorção utilizando o par NH 3 -H 2 O; A fonte de energia para funcionamento da máquina pode ser um combustível ou uma outra fonte de calor residual qualquer; Capacidade de 1 TR; Caracterização o ciclo de funcionamento;

4 Inovações CaracterísticaMáquinas ComerciaisProtótipo Capacidade3-25 TR (10-90kW) sendo que alguns fabricantes (York) fabricam apenas maiores de 100TR 1 TR (3,5 kW) AlimentaçãoCombustível ou calor residual Combustível ou Calor Residual podendo ser simultâneos OrigemImportadoTotalmente nacional

5 Introdução Ciclo de Refrigeração por Absorção; Início do Século XX; Funcionamento com carvão, lenha ou gás; Desenvolvimento de máquinas elétricas; Desempenho  COP Absorção x COP Compressão; Interesse recente;

6 Introdução Figura 1 – Ciclo de refrigeração representado no diagrama Pressão x Entalpia

7 Introdução AbsorventeRefrigerante ÁguaAmônia Brometo de LítioÁgua Cloreto de LítioMetanol Ácido SulfúricoÁgua Fonte: Pohlman (1979); Sresnewsky (1983); Abreu(1999)

8 Introdução Figura 2 – Representação esquemática do ciclo básico

9 Introdução Figura 3 – Detalhe de funcionamento do Absorvedor Calor

10 Introdução Figura 5 – Conjunto gerador e retificador Calor

11 Introdução Figura 4 – Diagrama concentração x temperatura

12 Introdução Figura 6 – Diagrama Pressão x Temperatura x Concentração para água/amônia – Em vermelho o ciclo absorção/desabsorção

13 Materiais e Métodos Figura 7- (a) bomba de capta ç ão de á gua de resfriamento de condensador, absorvedor e retificador de uma cisterna de 50m 3 ; (b) sistema de á gua com 25% de etileno-glicol para carga t é rmica de evaporador

14 Materiais e Métodos Figura 8 – Esquema do máquina de refrigeração construída no LMH/UFPR

15 Materiais e Métodos EES - Engineering Equation Solver; Dimensionamento Simplificado; Avaliação dos fluxos de energia e massa; Pressão de Baixa = 4 bar  -2C; Pressão de Alta = 16 bar  41 C; Fluxo de Amônia ~0,01 kg/s; Fluxo de Solução na Bomba ~ 0,1 - 0,2 kg/s Energia alimentando o Gerador ~ 37 kW COP=(Calor Transferido)/(Energia Utilizada)

16 Materiais e Métodos Figura 9 (a) – Influência da temperatura do gerador no coeficiente de performance (COP)

17 Materiais e Métodos Figura 9 (b) - Influência da temperatura do gerador na potência térmica absorvida no gerador

18 Materiais e Métodos Figura 10 – (a) Influência da temperatura do gerador na vazão mássica da bomba

19 Materiais e Métodos Figura 10 – (b) Influência da temperatura do gerador na potência da bomba

20 Materiais e Métodos Dimensionamento do Gerador / Retificador Vazões / Trocas Térmicas / Pressões / Temperaturas Figura 11 – Vista do Gerador / Retificador

21 Materiais e Métodos h (j/g) m (kg/sec)P (kPa)QualityT (C )x (kg/kg) evap in-52,20,141261,20,011-12,30,99 evap out11420,141261,20, ,99 cond in14100, ,50,99 cond out184,10, ,99 pump in-46,11261,20400,381 pump out-43,111540n/a40,40,381 ret h2o in-43,111540n/a40,40,381 Exemplo de cálculo dos estados dos fluídos

22 Materiais e Métodos Figura 12 – Trocador de calor regenerador para aproveitamento de gases quentes

23 Materiais e Métodos Figura 13 – Exemplo de tabela de seleção de trocadores de calor da empresa Apema

24 Materiais e Métodos Áreas dos Trocadores de Calor EquipamentoÁrea Calculada/Estimada Gerador - Aletas30 Aletas 300mm Diâmetro Condensador1,5 m2 Evaporador3,0 m2 Absorvedor1,4 m2 Retificador0,3 m2 Regenerador1,5 m2

25 Materiais e Métodos Figura 14- Vista do projeto do absorvedor Dimensionamento do Gerador / Retificador Vazões / Trocas Térmicas / Pressões / Temperaturas

26 Materiais e Métodos Figura 15 (a) – Bomba de solução NH 3 – H 2 O com pressão de 20 bar

27 Figura 15 (b) – Conversor de Frequencia da Bomba para ajuste de vazão Materiais e Métodos

28 Figura 16 – (a) Válvula de expansão de NH 3 com gelo durante o funcionamento e (b) válvula redutora de pressão de solução NH 3 -H 2 O

29 Materiais e Métodos Cálculo do Volume de Solução e do Tanque de Acumulação

30 Materiais e Métodos Dimensionamento dos vasos de pressão; Tubulações Schedule 40 e 80; Soldagem MIG; Teste de Pressão 1,5 x Pressão de Trabalho (N2)

31 Resultados Figura 17 – Vista do primeiro protótipo funcional construído

32 Resultados Figura 18 – Saída de vapor de NH 3 do evaporador

33 Resultados Figura 19 – Bomba de circulação e tubulações de fluido resfriado

34 Discussão Figura 20 – Tela do aplicativo LabView que caracteriza o sistema de absorção

35 Discussão Capacidade Obtida 8,165 kW = 2,322 TR

36 Discussão Maiores Desafios Manter o fluxo de solução constante; Manter o nível de solução no gerador estável; Evitar inundação do absorvedor durante o start-up; Problemas de estanqueidade; Problemas com soldagem de peças de materiais diferentes; Obter bomba com baixa vazão e alta pressão;

37 Agradecimentos À Nilko Metalúrgica Ltda pelo apoio técnico e financeiro; À Finep/CNPq pelo apoio financeiro; Ao Professor Dr. José Viriato Coelho Vargas, coordenador deste projeto; Ao Engenheiro Ericson Dilay, Msc. pelo apoio na construção do protótipo;

38 Referências ABREU, A. F., Sistema de refrigeração por absorção intermitente: concepção, dimensionamento, construção, ensaio e considerações econômicas, Tese de Doutorado apresentada ao Programa Interunidades de Pós-graduação em Energia - PIPGE/USP, São Paulo, SP, BEJAN, A., Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York, HEROLD, K. E., RADERMACHER, R., KLEIN, S. A., Absorption Chillers and Heat Pumps, 1ª Edição, Boca Raton, CRC Press, Inc, DORGAN, C. B., LEIGHT, S. P., DORGAN, C. E., Application Guide for Absorption Cooling/Refrigeration Using Recovered Heat, American Society of Heating, Refrigerating and Air- conditioning Engineers (ASHRAE), HOLMAN, J. P., Transferência de Calor, McGraw-Hill, São Paulo, LabVIEW 8.5, User Manual, National Intruments TM, LabVIEW Help, August, G-01, POHLMAN, W., Manual de técnica frigorífica, Ed. Omega, Barcelona, SRESNEWSKY, S. F. G. B., Estudo de ciclos de refrigeração por absorção quanto a sua aplicação e fonte energética, Escola Politécnica/USP, São Paulo, SP, 1983.


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