Orientador: Prof. José Viriato Coelho Vargas, PhD Seminário: DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE REFRIGERADORES DE ABSORÇÃO E TROCADORES DE CALOR PARA GASES DE EXAUSTÃO – DORAGEX Projeto CNPq 520120/2005-1 Emerson Dilay, Msc. Orientador: Prof. José Viriato Coelho Vargas, PhD 2010

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

Objetivo Construção de um protótipo elementar de máquina de refrigeração por absorção utilizando o par NH3-H2O; 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;

Inovações Característica Máquinas Comerciais Protótipo Capacidade 3-25 TR (10-90kW) sendo que alguns fabricantes (York) fabricam apenas maiores de 100TR 1 TR (3,5 kW) Alimentação Combustível ou calor residual Combustível ou Calor Residual podendo ser simultâneos Origem Importado Totalmente nacional

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;

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

Fonte: Pohlman (1979); Sresnewsky (1983); Abreu(1999) Introdução Absorvente Refrigerante Água Amônia Brometo de Lítio Cloreto de Lítio Metanol Ácido Sulfúrico Fonte: Pohlman (1979); Sresnewsky (1983); Abreu(1999)

Introdução Figura 2 – Representação esquemática do ciclo básico

Figura 3 – Detalhe de funcionamento do Absorvedor Introdução Calor Figura 3 – Detalhe de funcionamento do Absorvedor

Figura 5 – Conjunto gerador e retificador Introdução Calor Figura 5 – Conjunto gerador e retificador

Figura 4 – Diagrama concentração x temperatura Introdução Figura 4 – Diagrama concentração x temperatura

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

Materiais e Métodos Figura 7- (a) bomba de captação de água de resfriamento de condensador, absorvedor e retificador de uma cisterna de 50m3; (b) sistema de água com 25% de etileno-glicol para carga térmica de evaporador

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

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)

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

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

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

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

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

Exemplo de cálculo dos estados dos fluídos Materiais e Métodos Exemplo de cálculo dos estados dos fluídos   h (j/g) m (kg/sec) P (kPa) Quality T (C ) x (kg/kg) evap in -52,2 0,141 261,2 0,011 -12,3 0,99 evap out 1142 0,915 -10 cond in 1410 1540 1 76,5 cond out 184,1 40 pump in -46,1 0,381 pump out -43,1 n/a 40,4 ret h2o in

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

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

Área Calculada/Estimada Materiais e Métodos Áreas dos Trocadores de Calor Equipamento Área Calculada/Estimada Gerador - Aletas 30 Aletas 300mm Diâmetro Condensador 1,5 m2 Evaporador 3,0 m2 Absorvedor 1,4 m2 Retificador 0,3 m2 Regenerador

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

Figura 15 (a) – Bomba de solução NH3 – H2O com pressão de 20 bar Materiais e Métodos Figura 15 (a) – Bomba de solução NH3 – H2O com pressão de 20 bar

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

Materiais e Métodos Figura 16 – (a) Válvula de expansão de NH3 com gelo durante o funcionamento e (b) válvula redutora de pressão de solução NH3-H2O

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

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)

Figura 17 – Vista do primeiro protótipo funcional construído Resultados Figura 17 – Vista do primeiro protótipo funcional construído

Figura 18 – Saída de vapor de NH3 do evaporador Resultados Figura 18 – Saída de vapor de NH3 do evaporador

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

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

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

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;

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;

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, 1999.   BEJAN, A., Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York, 1994. HEROLD, K. E., RADERMACHER, R., KLEIN, S. A., Absorption Chillers and Heat Pumps, 1ª Edição, Boca Raton, CRC Press, Inc, 1996. 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), 1995. HOLMAN, J. P., Transferência de Calor, McGraw-Hill, São Paulo, 1987. LabVIEW 8.5, User Manual, National IntrumentsTM, LabVIEW Help, August, 370234G-01, 2007. POHLMAN, W., Manual de técnica frigorífica, Ed. Omega, Barcelona, 1979. 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.