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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE
EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL
ANÁLISE DE UM SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR PELO
CICLO DE ADSORÇÃO UTILIZANDO ENERGIA SOLAR
JEFFERSON ALVES OLIVEIRA
BISMARCK CASTILLO CARVALHO Orientador
MARCELO MENDES VIEIRA Co-Orientador
Cuiabá – MT
Fevereiro, 2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE
EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL
ANÁLISE DE UM SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR PELO
CICLO DE ADSORÇÃO UTILIZANDO ENERGIA SOLAR
JEFFERSON ALVES OLIVEIRA
BISMARCK CASTILLO CARVALHO Orientador
MARCELO MENDES VIEIRA Co-Orientador
Cuiabá – MT
Fevereiro, 2015
Dissertação apresentada junto ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de
Edificações e Ambiental da Universidade
Federal de Mato Grosso, como requisito para
obtenção do título de Mestre.
DEDICATÓRIA
A minha mãe, Maria Ozanira de Oliveira, meu pai, Lúcio Alves Oliveira e a minha
irmã Dafne Alves Oliveira, que estão sempre ao meu lado me ajudando e incentivando.
AGRADECIMENTOS
Aos meus orientadores, Prof. Dr. Bismarck Castillo Carvalho e Prof. Dr. Marcelo
Mendes Vieira que contribuíram diretamente por meio das disciplinas ministradas e das
recomendações sugeridas ao longo do mestrado.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações
Ambiental pelas disciplinas ministradas, que por meio das discussões e atividades
contribuíram para o desenvolvimento dessa dissertação.
Aos professores do Curso de Engenharia Mecânica, que por meio dos coordenadores,
Prof. Dr. Aguinaldo Soares de Oliveira e Prof. Dr. Heinsten Frederich Leal dos Santos,
viabilizaram o desenvolvimento desse trabalho.
Ao senhor Oswaldo Murad proprietário da Pousada do Parque, local onde está
instalada a máquina de climatização por adsorção.
A Eng.ª Sandra Souza Silva que colaborou com informações referentes ao sistema de
climatização.
Ao meu colega Carlos Beuter, companheiro de trabalho e das várias viagens realizadas
ao longo de todo o mestrado.
i
RESUMO
OLIVEIRA, J. A. Análise de um sistema de condicionamento de ar pelo ciclo de adsorção
utilizando energia solar. Cuiabá-MT, 2015. 87 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de
Edificações e Ambiental). Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia. Universidade
Federal de Mato Grosso.
Essa dissertação apresenta uma análise sobre o desempenho de um sistema de
climatização por adsorção, alimentado por energia solar, com foco no aproveitamento de
energias renováveis. A matriz de energia elétrica brasileira é fundamentada principalmente
nos recursos hídricos, e com o aumento do consumo de energia elétrica se faz necessária
ampliação de utilização de combustíveis fósseis para esse fim, ocasionando uma elevação dos
custos da tarifa de energia. Com o objetivo de explorar fontes renováveis de energia para
reduzir o consumo de combustíveis fósseis, o uso da energia solar aplicada a ciclos de
climatização se destaca como uma opção promissora ao considerar a parcela no consumo de
energia elétrica que a climatização e a refrigeração representam. Com base nesse contexto são
apresentados os princípios de operação do ciclo de climatização por adsorção e dos coletores
solares. O sistema de climatização analisado está localizado no município de Chapada dos
Guimarães e, basicamente é composto por um conjunto de coletores solares, um reservatório
térmico e a máquina de adsorção. A análise deste sistema foi dividida na parte de captação de
energia solar e nos circuitos da máquina de climatização por adsorção e realizada para três
diferentes condições climáticas de radiação solar. Em cada uma destas partes foi calculada a
quantidade de energia térmica que está fluindo através do sistema, com o intuito de identificar
a capacidade de climatização do sistema e determinar a eficiência da captação de energia solar
e produção de frio. Os dados de operação analisados mostram que o sistema em questão está
operando com capacidade abaixo da nominal, devido principalmente a quantidade de potência
térmica fornecida ao processo de dessorção e a temperatura da água de condensação que
retorna ao chiller.
Palavras-chave: Fontes Alternativas de Energia; Energia Solar; Climatização; Adsorção.
ii
ABSTRACT
OLIVEIRA, J. A. Analysis of an air conditioning system by adsorption cycle powered by
solar energy. Cuiabá-MT 2015. 87p. Dissertation (Masters in Environmental Engineering
and Buildings). Faculty of Architecture, Engineering and Technology. Federal University of
Mato Grosso.
This dissertation presents an analysis of the performance of an cooling system by
adsorption, powered by solar energy, focusing on the use of renewable energy. The Brazilian
energy matrix is based mainly on water resources, and the increase in electricity consumption
is necessary the expansion of fossil fuel use for this purpose, causing an increase in power
tariff costs. In order to exploit renewable energy sources to reduce the consumption of fossil
fuels, the use of solar energy applied to cooling cycles stands out with a promising option
when considering the share of the consumption of electricity that the air conditioning and
cooling represent. Within this context are presented the principles of operation of the air
conditioning cycle by adsorption and solar collectors. The cooling system analyzed is located
in the city of Chapada dos Guimarães, and basically consists of a set of solar collectors, heat
reservoir and adsorption machine. The analysis of this system was divided on the solar energy
capture and the circuits of air conditioning machine by adsorption and held for three different
climatic conditions of solar radiation. The amount of thermal energy that is flowing through
the system in order to identify the capacity of air conditioning system and to determine the
efficiency of capture of solar energy and production of cold in each of these parts is
calculated. The analyzed operation data show that the system in question is operating at below
nominal power, mainly because the amount of thermal power supplied to the desorption
process and the temperature of condensed water returning to the chiller.
Key words: Alternative Energy Sources; Solar Energy; Air Conditioning; Adsorption.
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Distribuição do consumo final de energia elétrica em residências, ano de 2005. ..... 2
Figura 2 – a) Componentes básicos do ciclo de compressão de vapor; b) Diagrama P-h do
ciclo ideal de compressão. .......................................................................................................... 6
Figura 3 – Ciclo de absorção de efeito simples com regenerador .............................................. 9
Figura 4 – Valores de COP dos ciclos de sorção em função da temperatura da fonte quente . 10
Figura 5 – Diagrama de Clapeyron do ciclo ideal de refrigeração por adsorção ..................... 12
Figura 6 – Refrigeração por adsorção com aquecimento: (a) direto; (b) indireto. ................... 13
Figura 7 – Espectro de radiação eletromagnética ..................................................................... 20
Figura 8 – Exemplo do espalhamento Rayleigh e absorção atmosférica sobre a distribuição
espectral da irradiância direta ................................................................................................... 21
Figura 9 – Irradiação solar global diária, média anual em MJ/m².dia ...................................... 23
Figura 10 – Insolação diária, média anual em horas. ............................................................... 24
Figura 11 – Distribuição de energia solar aplicado a um sistema fotovoltaico ........................ 26
Figura 12 – Esquema construtivo e distribuição da radiação solar no coletor plano ............... 28
Figura 13 – Estrutura de um tubo evacuado ............................................................................. 31
Figura 14 – Estrutura do cabeçote condutor de calor ............................................................... 31
Figura 15 – Foto dos coletores solares e do container ............................................................. 34
Figura 16 – Fluxo de energia do sistema de climatização ........................................................ 34
Figura 17 – Sistema de climatização por adsorção................................................................... 35
Figura 18 – Foto interna do container ...................................................................................... 35
Figura 19 – Foto da estação do tempo ...................................................................................... 37
Figura 20 – Sistema de captação e armazenamento de energia térmica ................................... 38
Figura 21 – Foto do sensor “T-112” conectado no coletor solar .............................................. 39
Figura 22 – Rendimento do coletor solar em função de Tm ..................................................... 40
Figura 23 – Foto das conexões das tubulações no reservatório térmico .................................. 42
Figura 24 – Sistema da máquina de adsorção........................................................................... 43
Figura 25 – Fotos dos sensores de temperatura dos circuitos da máquina ............................... 43
Figura 26 – Máquina de adsorção............................................................................................. 44
Figura 27 – Curvas do COP em função das temperaturas de dessorção e arrefecimento ........ 45
Figura 28 – Capacidade de climatização em função das temperaturas de dessorção e
arrefecimento ............................................................................................................................ 46
Figura 29 – Serpentina do evaporador ...................................................................................... 48
iv
Figura 30 – Foto do radiador .................................................................................................... 49
Figura 31 – Média horária mensal da radiação solar global da cidade de Campo Verde – MT
.................................................................................................................................................. 51
Figura 32 – Variação horária dos valores médios de radiação solar global da cidade de Campo
Verde – MT .............................................................................................................................. 52
Figura 33 – Radiação solar e temperatura da água fria, dia “A” .............................................. 53
Figura 34 – Radiação solar e temperatura da água fria, dia “B” .............................................. 54
Figura 35 – Radiação solar e temperatura da água fria, dia “C” .............................................. 54
Figura 36 – Operação do circuito do coletor solar, dia “A” ..................................................... 55
Figura 37 – Operação do circuito do coletor solar, dia “B” ..................................................... 56
Figura 38 – Operação do circuito do coletor solar, dia “C” ..................................................... 56
Figura 39 – Operação do circuito de dessorção da máquina de adsorção, dia “A” .................. 58
Figura 40 – Operação do circuito de dessorção da máquina de adsorção, dia “B” .................. 58
Figura 41 – Operação do circuito de dessorção da máquina de adsorção, dia “C” .................. 59
Figura 42 – Potência solar global e potência térmica dos coletores, dia “A”........................... 60
Figura 43 – Potência solar global e potência térmica dos coletores, dia “B” ........................... 61
Figura 44 – Potência solar global e potência térmica dos coletores, dia “C” ........................... 62
Figura 45 – Energia solar disponível por hora, em kWh .......................................................... 63
Figura 46 – Energia solar absorvida pelos coletores por hora, em kWh .................................. 64
Figura 47 – Rendimento horário dos coletores ......................................................................... 64
Figura 48 – Rendimentos estimados do coletor solar, dia “A” ................................................ 65
Figura 49 – Rendimentos estimados do coletor solar, dia “B” ................................................. 66
Figura 50 – Rendimentos estimados do coletor solar, dia “C” ................................................. 66
Figura 51 – Potência térmica de dessorção e temperatura do reservatório térmico, dia “A” ... 68
Figura 52 – Potência térmica de dessorção e temperatura do reservatório térmico, dia “B” ... 69
Figura 53 - Potência térmica de dessorção e temperatura do reservatório térmico, dia “C” .... 69
Figura 54 – Médias horárias das potências de dessorção ......................................................... 70
Figura 55 – Potência de evaporação e temperaturas da água na entrada e saída do evaporador,
dia “A” ...................................................................................................................................... 71
Figura 56 – Potência de evaporação e temperaturas da água na entrada e saída do evaporador,
dia “B” ...................................................................................................................................... 72
Figura 57 – Potência de evaporação e temperaturas da água na entrada e saída do evaporador,
dia “C” ...................................................................................................................................... 72
Figura 58 – Médias horárias das potências de evaporação ....................................................... 73
v
Figura 59 – Temperaturas de adsorção e dessorção ................................................................. 74
Figura 60 – Potência de rejeição de calor e temperatura de retorno da água, dia “A” ............. 76
Figura 61 – Potência de rejeição de calor e temperatura de retorno da água, dia “B” ............. 76
Figura 62 – Potência de rejeição de calor e temperatura de retorno da água, dia “C” ............. 77
Figura 63 – COP horário da máquina de adsorção ................................................................... 78
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Eficiência energética dos condicionadores de ar tipo Split ...................................... 7
Tabela 2 – Sistemas de climatização alimentados por energia solar ........................................ 18
Tabela 3 – Características técnicas dos sensores utilizados ..................................................... 36
Tabela 4 – Informações técnicas do coletor solar plano para aquecimento de água ................ 39
Tabela 5 – Valores médios da radiação solar global e temperatura ambiente .......................... 52
Tabela 6 – Energia solar disponibilizada e absorvida pelos coletores ..................................... 63
Tabela 7 – Rendimentos do coletor solar ................................................................................. 67
Tabela 8 – Comparação da energia térmica de dessorção e absorvida pelos coletores ............ 70
Tabela 9 – Energia de evaporação e redução média da temperatura da água .......................... 73
Tabela 10 – Energia térmica rejeitada e temperatura média da água de retorno ...................... 77
Tabela 11 – Valores diários de COP solar e da máquina ......................................................... 79
Tabela 12 – Fluxo de energia do sistema de climatização, em kWh ........................................ 80
vii
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – classificação dos coletores solares pelo método de captação ................................ 27
viii
LISTA DE SÍMBOLOS E MEDIDAS
A Coeficiente de transferência de calor linear [W/m²K]
AC Área do coletor [m²]
B Coeficiente de transferência de calor quadrático [W/m²K²]
CP Calor específico à pressão constante [kJ/kgK]
COP Coeficiente de Performance [-]
FR Fator de remoção de calor [-]
GT Radiação solar global [W/m²]
h Entalpia [kJ/kg]
m Vazão mássica [kg/s]
Q0 Potência de refrigeração [W]
QD Potência fornecida ao processo de dessorção [W]
QI Potência fornecida ao gerador [W]
QSol Potência fornecida pela radiação solar [W]
QU Potência térmica do fluido do coletor [W]
Ta Temperatura ambiente [°C]
Tc Temperatura da superfície absorvedora do coletor [°C]
Tm Temperatura média do fluido [°C]
UL Fator de proporcionalidade [-]
WB Potência elétrica da bomba [W]
WC Potência elétrica do compressor [W]
ΔT Variação de temperatura [K]
η Rendimento [-]
η0 Rendimento máximo [-]
τ Produto da transmitância e absortância [-]
ix
SUMÁRIO RESUMO .................................................................................................................................... i
ABSTRACT ............................................................................................................................... ii
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... iii
LISTA DE TABELAS .............................................................................................................. vi
LISTA DE QUADROS ............................................................................................................ vii
LISTA DE SÍMBOLOS E MEDIDAS .................................................................................... viii
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1
1.1 Objetivo Geral ..................................................................................................................... 4
1.1.1 Objetivos Específicos ........................................................................................................ 4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................ 5
2.1 Ciclo de Compressão Mecânica de Vapor .......................................................................... 5
2.2 Ciclo de Absorção ............................................................................................................... 8
2.3 Ciclo de Adsorção ............................................................................................................. 11
2.3.1 Adsorção Física ............................................................................................................... 11
2.3.2 Princípios de Operação ................................................................................................... 11
2.3.3 Pares de Adsorvente e Adsorvato ................................................................................... 15
2.3.4 Aplicações de sistemas de refrigeração solar por adsorção ............................................ 16
2.3.5 Resumo das características do ciclo de adsorção ............................................................ 18
2.4 Energia Solar ..................................................................................................................... 20
2.4.1 Potencial da Energia Solar no Brasil ............................................................................... 22
2.4.2 Aplicações da Energia Solar ........................................................................................... 25
2.4.3 Coletor Solar ................................................................................................................... 26
3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................. 33
3.1 Sistema de Climatização por Adsorção ............................................................................. 33
3.2 Medição das Variáveis ...................................................................................................... 36
3.3 Captação e Armazenamento da Energia Térmica ............................................................. 37
3.3.1 Coletor Solar ................................................................................................................... 39
3.3.2 Reservatório Térmico ...................................................................................................... 41
3.4 Sistema da Máquina de Adsorção ..................................................................................... 42
3.4.1 Máquina de Adsorção ..................................................................................................... 43
3.5 Características de Operação .............................................................................................. 49
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................... 51
4.1 Condições de Operações ................................................................................................... 52
x
4.1.1 Radiação Solar e Produção de Água Fria ........................................................................ 53
4.1.2 Condições de Operação do Circuito de Captação de Energia Térmica .......................... 55
4.1.3 Condições de Operação da Máquina de Adsorção .......................................................... 57
4.2 Operação do Circuito de Captação de Energia .................................................................. 59
4.2.1 Eficiência dos Coletores Solares ..................................................................................... 62
4.3 Operação da Máquina de Adsorção .................................................................................. 67
4.3.1 Dessorção ........................................................................................................................ 68
4.3.2 Adsorção ......................................................................................................................... 71
4.3.3 Rejeição de Calor ............................................................................................................ 75
4.4 Eficiência do Sistema de Climatização ............................................................................. 78
4.5 Fluxo de Energia ............................................................................................................... 79
5 CONCLUSÕES ................................................................................................................. 82
6 REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 84
7 ANEXOS ........................................................................................................................... 87
7.1 Anexo A ............................................................................................................................ 87
1
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de novas tecnologias que atendam as necessidades sociais, como o
crescimento populacional e melhorias na qualidade de vida, é uma característica intrínseca à
humanidade e com o passar dos anos tem se intensificado cada vez mais. Contudo esse
avanço tecnológico que permite o desenvolvimento da sociedade de modo geral, provoca uma
série de consequências que afetam o meio ambiente, uma vez que se torna necessário a
utilização de grandes quantidades de recursos naturais que por vezes não são renováveis ou
causam grande impacto ao meio ambiente, como, por exemplo, combustíveis fósseis e
grandes reservatórios de usinas hidrelétricas.
Com o intuito de minimizar os impactos causados pelo aumento da demanda de
recursos naturais, políticas internacionais para ações ambientais procuram reduzir
gradativamente os seus níveis de emissão de poluentes e consequentemente a dependência de
combustíveis fósseis, através de programas de eficiência energética e ampliação da matriz
energética, aumentando a parcela de utilização das fontes renováveis. De acordo com o
Ministério de Minas e Energia (2007) por meio do Plano Decenal de Energia 2030 (PDE
2030), a participação das fontes renováveis na matriz energética brasileira no ano de 2005 foi
de 44,5% do total, enquanto na matriz mundial esta participação foi de apenas 14%. Como
cenário futuro para o ano de 2030, é previsto o aumento da parcela de energias renováveis
para 46,6%, reduzindo de forma mais acentuada a utilização do petróleo e seus derivados.
Entre as várias formas de utilização final das diversas fontes de energias disponíveis, a
eletricidade é a que mais se destaca devido a ampla faixa de aplicação em todos os setores da
economia. Segundo o PDE 2030, no ano de 2005 o setor da economia que consumiu a maior
parcela de eletricidade foi o industrial com 37% do total, seguido do comercial e serviços com
20%, residencial com 19%, setor energético 3%, outros consumos 4% e as perdas totalizam
15%. O PDE 2030 apresenta a perspectiva de que no ano de 2030 o setor residencial
ultrapasse o comercial e serviços, atingindo 23% do consumo total de eletricidade, fato este
baseado em hipóteses de crescimento do nível de renda e melhoria de sua distribuição, o que
elevaria o consumo de eletricidade residencial per capita, que em 2005 foi de 38
kWh/mês/habitante, para algo em torno de 99 kWh/mês/habitante no ano de 2030.
Tendo como referência as projeções de crescimento do consumo de energia e os
planos de expansão dos sistemas de geração e transmissão de energia elétrica, a Empresa de
Pesquisa Energética (2013) através do Plano Decenal de Expansão de Energia 2022 (PDE
2
2022) estima que as regiões mais desenvolvidas do país, e que consomem mais energia,
apresentam riscos de indisponibilidade no suprimento da demanda máxima, decorrentes tanto
da restrição de intercambio de energia como da insuficiência de oferta. Esse tipo de situação
provoca uma série de consequências que restringem o crescimento econômico e social do
país, de modo que é necessário a implementação de ações que reduzam esta probabilidade.
Entre as prováveis medidas que podem ser tomadas neste cenário a melhoria da eficiência
energética e o uso de outras fontes de energia podem reduzir consideravelmente a demanda no
horário de ponta do sistema elétrico.
No Brasil são desenvolvidas há mais de 20 anos, ações governamentais que têm como
objetivo reduzir o consumo de energia sem alterar a capacidade de produção das indústrias ou
os hábitos de consumo das residências, como o Programa Nacional de Conservação de
Energia Elétrica (PROCEL) e o Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE). Segundo o PDE
2030, durante o período entre 1996 e 2003 foram economizadas 14.859 GWh de energia
elétrica. Com base nos resultados obtidos por esses programas, o PDE 2030 afirma que é
possível reduzir o consumo de energia com ações na área de eficiência energética, e inciativas
que ampliem esses esforços são desejáveis e necessárias.
Para uma melhor compreensão dos impactos que as ações de eficiência energética
podem proporcionar é necessário conhecer como está distribuído o consumo de energia entre
as diferentes formas de uso final que podem existir. Neste sentido a ELETROBRÁS,
PROCEL (2007), apresentam como é distribuído o consumo final na carga residencial,
conforme a figura 1. Com base nessa distribuição, identifica-se que 47% do consumo total de
energia elétrica são destinados a produção de frio e que o chuveiro elétrico é a maior parcela
individual de consumo com 24%.
Figura 1 – Distribuição do consumo final de energia elétrica em residências, ano de 2005.
Fonte: (ELETROBRÁS; PROCEL, 2007)
3
Estes dados demonstram que a área de refrigeração e aquecimento de água são as
maiores responsáveis pelo consumo de eletricidade residencial e consequentemente
apresentam os maiores potenciais para ações de eficiência energética. Com relação às
projeções de eficiência energética dos equipamentos residenciais dessas áreas, o PDE 2022
estima que os equipamentos de refrigeração possam apresentar uma redução média no
consumo de energia de no máximo 1,3%, quando se compara os anos de 2013 e 2022,
enquanto o chuveiro elétrico apresenta uma estimativa de aumento em 0,4% no mesmo
período de comparação. Esses valores são justificados com base no tempo de vida dos atuais
equipamentos e que a sua substituição será por outro mais eficiente, e os chuveiros a
estimativa é que no processo de troca serão adquiridos modelos mais potentes. Ao analisar
estas projeções percebe-se que a evolução da eficiência na área de maior consumo energético
residencial tende a ser tímida, quando se considera apenas a simples substituição de
equipamentos similares, porém novos.
Uma alternativa que pode reverter esse cenário seria a substituição não só do
equipamento como também da fonte de energia. Neste caso uma fonte de energia amplamente
disponível em todo território nacional, limpa, que é gratuita e ainda é pouco aproveitada é a
energia solar. A energia fornecida pelo Sol à Terra é tão abundante que se apenas 1% da
energia solar incidente na superfície terrestre fosse convertida com 10% de eficiência, geraria
cerca de cinco vezes a demanda mundial de energia (HASSAN, 2013), fato este que
demonstra todo o potencial de aplicação da energia solar.
Nessa dissertação é analisada a aplicação dessa energia em sistemas térmicos,
direcionados especificamente para a climatização de ambientes. Para tanto será analisado o
sistema de ar condicionado solar que funciona através do princípio da adsorção, fenômeno
que ocorre entre a interação de um meio sólido com um fluido. A aplicação de sistemas de
refrigeração por sorção está sendo amplamente estudada por vários centros de pesquisas ao
redor do mundo e uma das principais razões para este interesse, além do fato de substituir
fontes de energias não renováveis, é a coincidência de que os picos de demanda de energia
para os sistemas de refrigeração ocorrem justamente quando se têm os maiores níveis de
radiação solar.
De modo geral a refrigeração é uma das aplicações que mais consomem energia em
todo o mundo, o Instituto de Refrigeração de Paris estimou que sistemas de refrigeração e ar
condicionado consomem aproximadamente 15% da eletricidade de todo o mundo, e cerca de
45% desse total é consumido por prédios comerciais e residências (FAN; LUO; SOUYRI,
2007), valores estes semelhantes ao do Brasil.
4
Entre os principais trabalhos que abordam o potencial da redução do consumo de
energia com a aplicação de sistemas de climatização solar destaca-se Balaras et. al (2007) que
descreve os principais resultados do projeto SACE (Solar Air Conditioning in Europe) e
conclui que essa tecnologia tem um grande potencial de economizar energia primária, fonte
de energia disponível na natureza, principalmente no sudeste da Europa, nas áreas
mediterrâneas, onde esses sistemas podem economizar de 40 a 50% de energia primária.
Com base nesse contexto de eficiência energética e aplicação de fontes alternativas
para reduzir a carga do sistema elétrico, esta dissertação analisa a aplicação de um sistema de
climatização por adsorção, alimentado com energia solar, em que o mesmo está instalado em
um empreendimento localizado no município de Chapada dos Guimarães, a Pousada do
Parque.
1.1 Objetivo Geral
Esta dissertação tem como objetivo analisar a aplicação da energia solar como fonte de
energia alternativa à eletricidade na alimentação de sistemas de ar condicionado em
edificações. Para tanto o sistema em questão, instalado na Pousada do Parque que está
localizada no município de Chapada dos Guimarães, funciona com base no princípio da
adsorção. Serão analisados aspectos como o potencial de energia solar, a capacidade de
climatização do sistema, as temperaturas de trabalho e a eficiência da máquina de
climatização.
1.1.1 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos dessa dissertação são:
o Quantificar a energia solar disponível para a alimentação do sistema;
o Calcular o rendimento do coletor solar;
o Identificar a potência de climatização do sistema;
o Analisar a eficiência do sistema de climatização com base nos seus dados de operação;
o Apontar as principais limitações do sistema e as possibilidades de melhoria que podem
ser adotadas.
5
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Com base nas informações referentes ao perfil do consumo de energia elétrica de
residências no Brasil, fornecido por ELETROBRÁS, PROCEL (2007), é possível afirmar que
as aplicações envolvendo a produção de frio são as maiores responsáveis por esse consumo.
Isso se deve ao fato de que tanto a refrigeração quanto a climatização, desempenham funções
de elevada importância no cotidiano da vida humana. Entre as diversas funções da
refrigeração destaca-se o processamento e a conservação de alimentos, o que permite
aumentar os prazos de validade dos mesmos. A climatização de ambientes tem como principal
função o controle da temperatura e umidade de forma a proporcionar conforto térmico aos
ocupantes do ambiente climatizado.
Existem muitas formas diferentes para climatização de ambientes, dentre as quais, a
mais utilizada atualmente são os condicionadores de ar do tipo compressão mecânica de
vapor, isso se deve principalmente ao fato da praticidade da alimentação ser por energia
elétrica. Contudo existem outros métodos que se apresentam como alternativa de substituição
ao uso da eletricidade, por exemplo, os ciclos de sorção, que podem ser alimentados por
energia térmica rejeitada de outros processos ou pela radiação solar. Os ciclos de sorção têm o
seu princípio de funcionamento baseado nos fenômenos da absorção ou adsorção.
A seguir são discutidas as características de cada uma das três alternativas com relação
ao princípio de funcionamento, eficiência do processo, aplicações mais indicadas, vantagens e
desvantagens.
2.1 Ciclo de Compressão Mecânica de Vapor
Essa é a alternativa mais utilizada tanto para aplicações de climatização ou
refrigeração residencial, comercial, industrial ou até mesmo automotiva. A grande
versatilidade de suas aplicações está relacionada principalmente aos aspectos construtivos do
sistema que o tornam compacto e apto a ser acoplado a máquinas rotativas. Os sistemas de
climatização por compressão de vapor são compostos por quatro partes distintas que são o
compressor, condensador, válvula de expansão e evaporador, dispostos de acordo a figura 2a.
6
Figura 2 – a) Componentes básicos do ciclo de compressão de vapor; b) Diagrama P-h do ciclo ideal
de compressão.
a)
b)
O princípio de funcionamento deste ciclo pode ser descrito com base no gráfico
apresentado na figura 2b, conforme a sequência a seguir:
1-2 Compressor: O trabalho inserido pelo compressor no sistema eleva a temperatura
e a entalpia do refrigerante na fase de vapor com o aumento da pressão;
2-3 Condensador: O calor retirado do ambiente, por meio da evaporação do
refrigerante, e a energia inserida pelo compressor são rejeitados para o meio externo,
reduzindo a entalpia do refrigerante que passa para o estado líquido;
3-4 Válvula de expansão: O refrigerante passa por um processo de redução de
pressão que reduz a sua temperatura;
4-1 Evaporador: Como a temperatura do fluido refrigerante está abaixo da
temperatura ambiente, parte do calor do ambiente é absorvida pelo refrigerante, aumentando o
valor da entalpia e passando para a fase de vapor.
O desempenho dos ciclos de compressão depende, além dos aspectos construtivos do
sistema, das características térmicas do refrigerante e principalmente das condições climáticas
do meio externo onde o calor será rejeitado. Sendo que a eficiência dos sistemas de
climatização é expressa por meio do COP (sigla inglesa para, coefficient of performance) que
relaciona o efeito de climatização produzido com a energia de entrada necessária para o
funcionamento do sistema. Essa relação é calculada a partir da equação (1) a seguir:
(1)
7
A equação (1) mostra que a eficiência do sistema (COP) está intimamente ligada com
o trabalho inserido no sistema pelo compressor, que determina a diferença entre as pressões
de evaporação e condensação. Isso significa que a eficiência do compressor, influência
diretamente no nível de eficiência do sistema de refrigeração.
As informações referentes ao desempenho de cada modelo de condicionador de ar são
avaliadas, assim como os demais equipamentos elétricos, pelo INMETRO, por meio do
PROCEL e do PBE, com o objetivo de verificar a sua eficiência energética. Sob o ponto de
vista de funcionamento global do aparelho, essa avaliação leva em consideração as três
variáveis existentes na equação (1), que são a capacidade de climatização, o trabalho
fornecido pelo compressor, que é proporcional a energia elétrica consumida, e o COP, que é
apresentado como coeficiente de eficiência energética (CEE). De acordo com os resultados
obtidos nos testes de eficiência energética, são atribuídos conceitos que indicam o nível de
eficiência do modelo, de acordo com a Tabela 1 que mostra os valores percentuais que cada
classe de eficiência representa do universo de todos os modelos do tipo Split avaliados.
Tabela 1 – Eficiência energética dos condicionadores de ar tipo Split
A B C D E
Modelo Split COP > 3,2 3 < COP 3,2 2,8 < COP 3 2,6 < COP 2,8 2,39 < COP 2,6
Cassete 16 13 73 64 46
Hi-Wall 515 235 337 180 25
Piso-Teto 27 45 135 141 72
Total 29,00% 15,23% 28,33% 20,01% 7,43% Fonte: INMETRO (2014)
Os condicionadores de ar do tipo split tem como principal característica ser composto
de duas unidades separadas, o evaporador que fica no ambiente a ser climatizado, e o
condensador e o compressor, que ficam no ambiente externo onde o calor retirado do
ambiente será rejeitado. A Tabela 1 apresenta a quantidade de aparelhos avaliados e as suas
respectivas classes de eficiência, que variam do conceito “A” até o “E” conforme o valor do
COP do aparelho se enquadra em cada um dos intervalos. Esses resultados mostram que
individualmente a classe “A” é a que possui o maior número percentual de aparelhos e que os
modelos mais ineficientes se apresentam como a menor parcela entre os que foram avaliados.
Dentre todos os modelos do tipo split disponíveis a faixa de variação encontrada para o COP
está entre 2,39, valor mínimo da classe “E”, e 4,79, maior valor encontrado dentro da classe
“A” para modelos do tipo split hi-wall.
8
As principais vantagens do ciclo de compressão de vapor são a fácil adequação em
aplicações para veículos, disponibilidade comercial em pequenas potências, tecnologia
altamente difundida e elevados valores do COP. As desvantagens estão no fato de usar fluidos
refrigerantes que podem degradar o meio ambiente, possuem partes móveis que apresentam
ruído durante o funcionamento e é alimentado por eletricidade, o que exige uma maior
produção de energia elétrica.
2.2 Ciclo de Absorção
Esse ciclo de climatização se assemelha ao de compressão de vapor com relação a
alguns aspectos construtivos, como, por exemplo, a existência de evaporador, condensador e
válvula de expansão, entretanto, os demais componentes, o princípio de funcionamento e o
tipo de energia de alimentação são diferentes. Esse sistema é alimentado principalmente com
energia térmica, que pode ser obtida de diversas maneiras.
A climatização por absorção começou a ser difundida durante o século XIX, após
Ferdinand Carre desenvolver uma máquina que utilizava água/amônia como fluido de
trabalho. O sistema que utiliza brometo de lítio/água começou a ser comercializado na década
de 50, com a finalidade de resfriar água para grandes edifícios (STOECKER; JONES, 1985).
Entretanto, ao longo do século XX o ciclo de absorção foi sendo substituído pelo de
compressão de vapor, a medida que a indústria de eletricidade se desenvolvia. Atualmente a
climatização por absorção é empregada em sistemas de recuperação de calor, cogeração e
energia solar.
Conforme se apresenta na estrutura esquematizada na figura 3, o princípio de
funcionamento do ciclo de absorção consiste primeiramente na retirada de calor do ambiente
pelo refrigerante que está no evaporador. Este refrigerante em forma de vapor de baixa
pressão é conduzido até o absorvedor, que contém a solução forte do fluido absorvente, que se
torna uma solução fraca ao absorver o refrigerante. Essa solução é bombeada para o gerador,
onde é submetida a uma fonte externa de calor que promove a separação entre o absorvente,
que retorna ao absorvedor contendo uma fração de refrigerante, enquanto o refrigerante que
na forma de vapor de alta pressão passa para o condensador. O calor adquirido pelo
refrigerante no gerador é rejeitado para o meio externo no condensador e posteriormente o
mesmo passa por um processo de expansão, reduzindo a temperatura e retornando ao
evaporador.
9
Figura 3 – Ciclo de absorção de efeito simples com regenerador
A estrutura do sistema de climatização apresentada na figura 3 mostra a existência de
um regenerador entre o gerador e o absorvedor, a sua finalidade é transferir parte do calor
fornecido à solução no gerador para a solução fraca que está sendo bombeada a partir do
absorvedor. Deste modo o absorvente reduz a sua temperatura, e a solução fraca tem sua
temperatura aumentada, reduzindo a quantidade de calor necessária para a separação das duas
substâncias.
O COP de ciclo de absorção é definido com base na relação entre a capacidade de
climatização (Q0) e a energia necessária para a operação do sistema, que nesse caso é a soma
do calor fornecido ao gerador (QH) e a energia de alimentação da bomba (WB), conforme é
apresentado na equação (2). O COP para os ciclos de climatização de absorção de efeito
simples é geralmente inferior a unidade e, consequentemente, muito menor que o valor
apresentado pelo ciclo de compressão mecânica de vapor. Segundo Stoecker e Jones (1985)
essa diferença de valores não deve ser considerada prejudicial para o ciclo de absorção, uma
vez que a energia de alimentação do ciclo de compressão de vapor na forma de trabalho é
normalmente mais cara que energia em forma de calor.
(2)
Existem várias configurações diferentes para o ciclo de climatização por absorção,
onde cada uma delas apresenta diferentes níveis de temperatura e COP para os seus
respectivos fluidos de trabalhos. O trabalho de Srikhirin et al. (2001) apresenta um resumo
com as principais informações referentes as características de operação para diferentes tipos
de configurações, na qual os valores de COP encontrados comercialmente variam desde 0,5,
10
para o ciclo de efeito simples operando a uma temperatura da fonte térmica de 80°C, até 1,2,
para ciclo de efeito duplo com temperaturas de trabalho de até 150°C. Em complemento a
essa informação Henning (2006) apresenta por meio do gráfico da figura 4 uma comparação
dos valores de COP dos ciclos de absorção de efeito simples e duplo, do ciclo de adsorção e
do ciclo ideal.
Figura 4 – Valores de COP dos ciclos de sorção em função da temperatura da fonte quente
Fonte: Henning (2006)
As informações apresentadas na figura 4 mostram que, para a produção de água gelada
a temperatura de 9°C, os valores de COP do ciclo de absorção são melhores que os do ciclo
de adsorção quando a temperatura da fonte térmica é aproximadamente maior que 75°C.
Em relação aos tipos de fluidos mais utilizados destacam-se os pares de brometo de
lítio/água e água/amônia, onde o primeiro nome é o absorvente e o segundo o refrigerante. A
principal diferença entre ambos é que a amônia consegue atingir temperaturas negativas,
devido ao fato de possuir um ponto de congelamento de -77°C, sendo mais apropriada para
aplicações de refrigeração.
As principais vantagens do ciclo de absorção são a possibilidade de aplicação em
sistemas de recuperação de calor ou energia solar e redução na demanda de energia elétrica,
que dependendo da matriz energética, pode proporcionar redução no consumo de
combustíveis fósseis e consequentemente na emissão de poluentes.
Entre as desvantagens destacam-se o fato de que as soluções apresentam problemas de
corrosão com temperaturas acima de 200°C, problemas de cristalização com o par brometo de
lítio/água, além de não ser adequado para aplicações sujeitas a muitas vibrações, devido ao
11
fato do absorvente permanecer no estado líquido o mesmo podem entrar no condensador ou
evaporador (WANG; VINEYARD, 2011).
2.3 Ciclo de Adsorção
Este ciclo de climatização, assim como o de absorção é alimentado principalmente por
energia térmica, o que torna atrativa sua aplicação em sistemas de recuperação de calor e
energia solar. A sua utilização com energia solar se torna interessante devido ao fato de que
apresenta melhores rendimentos que o ciclo de absorção quando alimentado com temperaturas
aproximadamente menores que 75°C, além da coincidência do pico da demanda de
climatização com a disponibilidade de radiação solar.
2.3.1 Adsorção Física
O fenômeno da adsorção física ocorre através da interação entre um fluido (adsorvato)
em um meio sólido (adsorvente), onde as moléculas do fluido são fixadas na superfície do
material sólido. Este processo de adesão provoca a liberação de calor do adsorvato, processo
este reversível ao adicionar calor no adsorvente, separando as duas substâncias novamente.
Nesse caso as moléculas não executam nenhuma reação química e o processo de
adsorção difere da absorção no ponto em que não se trata de um fenômeno volumétrico, e sim
de superfície (ULLAH et al., 2013). As características da adsorção de um determinado par
dependem da natureza do adsorvente e adsorvato, da reatividade da superfície, da área da
superfície, e temperatura e pressão de adsorção (HASSAN; MOHAMAD, 2012).
De acordo com o ponto de vista termodinâmico, o ciclo de refrigeração por adsorção
consiste de quatro etapas que são descritas a seguir: o aquecimento isostérico, o aquecimento
isobárico, o resfriamento isostérico e o resfriamento isobárico (MAHESH; KAUSHIK, 2012).
2.3.2 Princípios de Operação
Os sistemas de refrigeração por adsorção são constituídos basicamente por
condensador, evaporador e leito adsortivo. Seu princípio de operação é descrito de acordo
com o diagrama de Clapeyron, apresentado na figura 5.
12
Figura 5 – Diagrama de Clapeyron do ciclo ideal de refrigeração por adsorção
Esse diagrama relaciona o comportamento da pressão e da temperatura em cada uma
das quatro fases do ciclo de adsorção, tendo como referência os níveis de concentração de
refrigerante no leito adsortivo, representado pelas linhas diagonais que são denominadas
isósteras. A isóstera da esquerda identificada como XSAT representa a condição de saturação
da concentração de adsorvato e adsorvente, conforme a temperatura aumenta esta
concentração diminui porque a adição de calor promove a separação entre adsorvato e
adsorvente. De acordo com a figura 5, as quatro fases de operação do ciclo de refrigeração por
adsorção são descritas a seguir:
Aquecimento isostérico (T1→T2): O leito adsortivo encontra-se com uma
concentração XMáx e está isolado do evaporador e do condensador. Este leito começa a receber
calor, aumentando a temperatura e mantendo a concentração constante, até atingir a pressão
de condensação (PCon);
Aquecimento isobárico (T2→T3): O leito adsortivo é conectado ao condensador e
nesta fase o calor recebido eleva a temperatura à pressão constante, promovendo o processo
de dessorção do refrigerante que passa a fluir para o condensador. Deste modo o calor
adquirido no processo de dessorção é rejeitado para o meio externo, passando do estado de
vapor para o líquido, e posteriormente o mesmo é conduzido para o evaporador. Esta etapa é
interrompida quando o leito adsortivo atinge a temperatura T3;
Resfriamento isostérico (T3→T4): Nessa etapa o leito adsortivo passa por um processo
de resfriamento à concentração constante, reduzindo a sua temperatura até atingir a pressão de
evaporação (PEvp);
Resfriamento isobárico (T4→T1): O evaporador é conectado ao leito adsortivo que
começa a adsorver o refrigerante do evaporador, provocando uma redução de temperatura
13
devido a vaporização do refrigerante. Durante o processo de adsorção a concentração de
adsorvato aumenta até atingir a linha isóstera X2, quando a adsorção é encerrada e o ciclo é
reiniciado.
Segundo Choudhury et al. (2012) quando o sistema de refrigeração por adsorção é
alimentado pelo calor proveniente da radiação solar, existem dois métodos diferentes de
captar esta energia, de forma direta ou indireta. A disposição dos elementos que compõem os
dois sistemas de refrigeração é apresentada na figura 6 a seguir.
Figura 6 – Refrigeração por adsorção com aquecimento: (a) direto; (b) indireto.
(a)
(b)
O aquecimento direto do leito adsortivo torna mais simples a construção e o controle
do sistema de refrigeração, entretanto só é possível a realização de apenas um ciclo por dia,
sendo que o processo de dessorção do leito adsortivo ocorre durante o dia, recebendo o calor
proveniente da radiação solar, e a adsorção no período da noite, quando a temperatura é
menor e as condições climáticas favorecem o resfriamento do leito adsortivo.
O aquecimento indireto permite a realização de vários ciclos enquanto houver radiação
solar suficiente, devido ao fato do sistema apresentar mais de um leito adsortivo os processos
de adsorção e dessorção ocorrem em defasagem. Nesse caso é necessária a utilização de um
fluido térmico que conduza o calor do coletor solar, ou do reservatório térmico, para os leitos
adsortivos.
14
A eficiência dos sistemas de refrigeração por adsorção é obtida através da razão entre
a capacidade de refrigeração do sistema (Q0) e a quantidade de calor inserida durante o
processo de dessorção (QD), conforme a equação (3).
(3)
A equação (3) é válida para sistemas experimentais de pequena potência, pois estes
não necessitam de bombas para a circulação dos fluidos, entretanto, para ciclos de
refrigeração comerciais com elevada capacidade de refrigeração existe adição de bombas que
promovem uma maior circulação dos fluidos nos circuitos de aquecimento do leito adsortivo,
evaporação e condensação. Nestes casos é adicionado ao calor fornecido (QD) uma parcela
referente a potência das bombas de circulação, que na prática é muito inferior a potência
nominal do sistema como um todo. Para os ciclos de refrigeração que são alimentados por
energia solar a eficiência global do sistema pode ser calculada tendo como referência a
radiação solar (QSol) total fornecida ao sistema e a capacidade de refrigeração (QE), de acordo
com a equação (4).
(4)
Para os ciclos de adsorção que trabalham com aquecimento indireto é possível afirmar
que o COPSolar sempre será menor que o COP do sistema isolado, isso porque o calor
fornecido ao ciclo no processo de dessorção é proveniente do coletor solar e,
consequentemente, depende do rendimento do coletor solar que é menor do que a unidade,
sob a visão geral do equipamento.
Ao analisar o princípio de operação dos ciclos de adsorção é possível afirmar que um
dos principais fatores que influenciam a produção do efeito de resfriamento é a quantidade de
energia fornecida ao sistema na etapa de dessorção, entretanto, a eficiência dos ciclos que
operam com energia solar não é diretamente proporcional a radiação solar fornecida ao
sistema. O trabalho desenvolvido por Mahesh et al. (2013) sobre um sistema de refrigeração
com aquecimento direto com coletores solares sem cobertura afirma que, o COPSolar não
aumenta na mesma proporção que a intensidade da radiação solar, isso indica que a maior
parte da radiação está sendo usada para aquecer as partes metálicas do sistema. Contudo a
temperatura câmara de resfriamento, nesse caso passou de 21°C para 10°C, com o aumento da
15
intensidade da radiação solar. Além disso, o COPSolar cresce com o aumento da energia solar
absorvida pelo coletor.
Os mesmos autores relatam ainda que o COPSolar cresce com o aumento da
temperatura de evaporação e diminui conforme o aumento da temperatura de condensação.
2.3.3 Pares de Adsorvente e Adsorvato
Entre todos os aspectos que envolvem os sistemas de refrigeração por adsorção, o par
adsorvente e adsorvato é o principal deles, pois as características da combinação desses dois
elementos é quem determinam a capacidade de refrigeração do sistema, a temperatura de
evaporação e COP. Existem diversas combinações entre adsorventes e adsorvatos, sendo que
as mais utilizadas são sílica gel/água, zeolita/água, carvão ativado/metanol e carvão
ativado/amônia.
O par sílica gel/água tem como principal vantagem a baixa temperatura de dessorção,
geralmente menor que 90°C, entretanto esta temperatura não pode ser maior do que 120°C
(WANG; WANG; OLIVEIRA, 2009). A utilização de água como adsorvato apresenta as
seguintes vantagens: não é uma substância tóxica e possui uma entalpia de vaporização alta
(ou calor latente) com relação aos outros refrigerantes, como exemplo, o metanol. Como
desvantagens o par apresenta baixa capacidade de adsorção e impossibilidade de atingir
temperaturas negativas. Por isso é mais indicado para aplicações de climatização e produção
de água gelada (HASSAN; MOHAMAD, 2012).
A zeolita/água, assim como a sílica gel/água, também não é capaz atingir temperaturas
negativas além de uma transferência de massa ruim devido a baixa pressão de trabalho
(WANG; WANG; OLIVEIRA, 2009). Entretanto quando o objetivo é condicionamento de ar,
o par zeolita/água é o mais indicado para tal aplicação, se comparado com o par carvão
ativado/amônia (ANYANWU; OGUEKE, 2005).
Entre os pares mais utilizados se destaca o carvão ativado/metanol devido a ampla
capacidade cíclica de adsorção, baixas temperaturas de adsorção e dessorção e elevado calor
latente do metanol (MAHESH; KAUSHIK, 2012). Devido ao fato desse par trabalhar a
vácuo, a manutenção do sistema se torna mais complexa e tem a sua confiabilidade reduzida,
pois pequenos vazamentos comprometem o desempenho do mesmo (WANG; WANG;
OLIVEIRA, 2009). Outro fator que limita a operação do carvão ativado/metanol é que a
temperatura de trabalho não pode ser maior que 120°C devido aos efeitos de decomposição do
metanol (HU, 1998).
16
Além do metanol, o carvão ativado também pode ser utilizado com a amônia. Tal par
opera em alta pressão apresenta melhor transferência de massa, tempo de ciclo reduzido e ao
contrário do par carvão ativado/metanol pode operar com temperaturas superiores a 200°C.
Entre as desvantagens destaca-se o fato de que a amônia é uma substância tóxica, com odor
forte e irritante além do fato de ser incompatível com o cobre (WANG; WANG; OLIVEIRA,
2009).
Ao analisar as características que o material adsorvente deve possuir para que o
sistema de refrigeração apresente um melhor desempenho, Mahesh e Kaushik (2012) e Wang,
Wang e Oliveira (2009) destacam as seguintes:
Grande capacidade de adsorção;
Boa condutividade térmica;
Compatibilidade com refrigerante;
Reversibilidade no processo de adsorção para muitos ciclos.
Com relação ao refrigerante, os mesmos autores destacam as seguintes características:
Alto calor latente;
Elevada condutividade térmica;
Boa estabilidade térmica;
Ambientalmente inofensivo;
Pressão de saturação entre 1 e 5 atm, quanto mais próximo de 1 atm melhor;
Não tóxico, não inflamável e não corrosivo.
Entre todas as características apresentadas é possível perceber que a capacidade de
adsorção, a condutividade térmica e a compatibilidade entre as substâncias se destacam como
os principais objetivos para a obtenção de melhores rendimentos e maiores capacidades de
refrigeração.
2.3.4 Aplicações de sistemas de refrigeração solar por adsorção
Xia et al. (2004 apud Wang e Oliveira, 2006) apresentam a aplicação prática de um
chiller de adsorção, com o par sílica gel/água, que foi usado para resfriar um depósito de
grãos na província de Jiangsu na China. Este sistema é constituído por uma unidade de
aquecimento solar de água, um chiller de adsorção, uma torre de resfriamento e uma unidade
de ventilação. O sistema de aquecimento solar de água é composto de 50 m² de coletor solar
com tubo evacuado e um tanque de armazenamento de água quente. A temperatura da água
quente fornecida pelos coletores varia entre 60 e 90°C, a radiação solar diária varia entre 16 e
17
21 MJ/m² e o chiller é capaz de fornecer ar frio com temperaturas de 14 a 22°C. Quando a
temperatura da água foi de 85°C, a potência de refrigeração foi próxima de 4,96 kW com um
COP de 0,32.
Wang e Oliveira (2006) apresentam ainda um sistema que utiliza dois chillers
similares ao anterior, com uma potência nominal maior, que são utilizados no prédio verde
localizado no prédio de Ciências do Instituto de Pesquisas de Shangai. Os experimentos
conduzidos quando a radiação solar foi de 19,2 MJ/m² mostram que a potência de refrigeração
foi por volta de 12 kW, sendo o COP do ciclo e o solar de 0,28 e 0,09, respectivamente. O
sistema é alimentado por 170 m² de coletores solares com tubo evacuado do tipo-U, estes com
uma eficiência média de 36%. Caso o suprimento de água quente atingir a temperatura de
85°C, a potência média de refrigeração pode ser próxima de 15 kW.
Com relação a aplicações práticas comerciais Wang e Oliveira (2006) citam o projeto
Europeu Climasol que agrega agências regionais de energia, companhias de pesquisa de
energia e institutos de pesquisas de sete países europeus (Portugal, Espanha, França, Itália,
Alemanha, Áustria e Grécia). Entre os objetivos descritos pelo projeto está a redução do
consumo de energia global utilizada para o resfriamento de edificações, conscientização das
autoridades quanto à necessidade de estudos de viabilidade para redução do consumo de
energia para resfriamento e a disseminação do atual conhecimento sobre refrigeração solar
ativa ou técnicas passivas.
O projeto Climasol apresenta em seu site as informações referentes aos sistemas de
refrigeração solar que estão em operação. O sistema de refrigeração solar por adsorção
instalado no hospital universitário de Freiburg é equipado com um chiller com capacidade de
refrigeração de 70 kW, é alimentado por 171 m² de tubos evacuados e climatiza uma área de
aproximadamente 550 m². De acordo com os dados de operação do ano de 2002, o COP anual
da máquina e a eficiência anual dos coletores foram de 0,53 e 0,32, respectivamente. O
projeto conclui que nesse caso a aplicação de chillers de adsorção por energia solar para
condicionamento de ar é possível para o clima da Europa central com o uso de coletores
solares de alta eficiência e tem uma operação confiável.
Um grande sistema de refrigeração solar instalado em uma companhia de cosméticos
na Grécia têm uma capacidade de refrigeração de 700 kW, que é alimentado por 2.700 m² de
coletores solares de placa plana, a área climatizada por este sistema é de 22.000 m². O sistema
de aquecimento solar fornece água quente para dois chillers de 350 kW cada, a uma
temperatura que varia entre 70 e 75°C com um COP de 0,6. Neste caso existem outros três
chillers elétricos convencionais para suprir a demanda no horário de ponta da carga térmica.
18
Balaras et al. (2007) descrevem os principais resultados do projeto Europeu Solar Air
Conditioning in Europe (SACE), que teve como objetivo promover e fortalecer a aplicação
dos sistemas de ar condicionado tendo a energia solar como fonte de energia. Entre as
aplicações que utilizam chiller de adsorção, destaca-se um sistema de climatização residencial
instalado na cidade de Thenning na Áustria. A capacidade nominal de climatização desse
sistema é de 5,5 kW com um COP nominal de 0,6, sendo alimentado por 38 m² de coletores
solares do tipo placa plana. Outra aplicação apresentada por esse projeto é um sistema de
climatização instalado em uma cafeteria na cidade de Freiburg, Alemanha, com capacidade
nominal de 5,5 kW, COP nominal de 0,6 e possui 22 m² de coletores solares planos.
Tendo como referência esses dados, a tabela 2 apresenta um resumo em que é
quantificada a razão entre a área dos coletores solares e a potência do sistema de climatização.
Tabela 2 – Sistemas de climatização alimentados por energia solar
Local Potência
[kW] COP
Coletor Solar Relação
[m²/kW] Tipo Área [m²]
Jiangsu, China 4,961 0,32
1 Tubo Evacuado 50 10,08
Shangai, China ~121
0,281
Tubo Evacuado 170 14,17
Freiburg, Alemanha 702
0,531
Tubo Evacuado 171 2,44
Grécia 7002
0,62
Placa Plana 2700 3,86
Thening, Áustria 5,52
0,62
Placa Plana 38 6,91
Freiburg, Alemanha 5,52
0,62
Placa Plana 22 4
Os dados da tabela 2 mostram que os sistemas de climatização dos projetos Climasol e
SACE apresentam os menores valores na razão entre a área dos coletores e a potência nominal
do sistema, sendo que a menor relação é encontrada no sistema instalado no hospital
universitário de Freiburg, onde são utilizados coletores do tipo tubo evacuado e apresentam
uma relação de 2,44 m²/kW.
2.3.5 Resumo das características do ciclo de adsorção
O uso do calor como fonte de energia faz do ciclo de refrigeração por adsorção uma
tecnologia de grande importância para aplicações em sistema de recuperação de calor ou
aproveitamento da radiação solar térmica. Isso porque devido a combinação de diferentes
tipos de pares de adsorvente/adsorvato, esse ciclo é capaz de operar com fontes de calor a
1 Dados de operação.
2 Valores nominais.
19
partir de 50°C, enquanto segundo Henning (2006) os ciclos de absorção necessitam de no
mínimo 75°C.
Quando comparado ao ciclo de absorção, que também trabalha com fonte de calor, o
ciclo de adsorção tem como vantagens a baixa incidência de problemas de corrosão quando
opera a altas temperaturas, enquanto esses problemas podem ocorrer na absorção com
temperaturas superiores a 200°C (WANG; VINEYARD, 2011). O ciclo de adsorção, não
apresenta problemas de cristalização, o que pode acontecer, por exemplo, com o par brometo
de lítio/água, cuja possível consequência é a interrupção da operação do sistema.
O ciclo de adsorção é mais indicado para aplicações em que o sistema estaria sujeito a
vibrações severas, como, por exemplo, barcos, locomotivas ou ônibus. Nestas aplicações, ao
se fazer uso do ciclo de absorção, o absorvente, que permanece no estado líquido, poderia
passar para o condensador ou evaporador, o que reduziria a eficiência do ciclo de absorção,
como o adsorvente permanece sempre no estado sólido isso não ocorre para o ciclo de
adsorção (WANG; VINEYARD, 2011).
Os ciclos de sorção que operam com energia solar usualmente sofrem com as amplas
variações climáticas entre inverno e verão, o que reduz sensivelmente a eficiência desses
sistemas em parte do ano. Contudo, ao contrário dos sistemas de absorção, o desempenho do
ciclo de adsorção não é tão sensível a flutuações na temperatura da fonte de calor, tornando-o
mais adequado para aplicações com energia solar (CHOUDHURY et al., 2012).
Apesar de todas as características que tornam esta tecnologia promissora para
aplicação em sistemas de refrigeração solar, atualmente existem aspectos que impedem uma
expansão mais acelerada ciclo de refrigeração por adsorção. O principal ponto é o baixo valor
de COP, geralmente entre 0,4 e 0,6 o que reduz consideravelmente a sua competitividade
quando comparada a eficiência de outros ciclos de refrigeração.
Os coletores solares são um dos principais componentes de custo para alimentação dos
sistemas de climatização que operam com energia solar (CHOUDHURY et al., 2012). Dessa
forma, a aquisição dos coletores solares, reservatório térmico, máquina de adsorção,
automação, entre outros itens dão a característica de um oneroso investimento para o
funcionamento de um sistema de resfriamento suprido por energia solar.
Os materiais adsorventes porosos não são bons condutores de calor e as operações
com leitos fixos também reduzem a taxa de transferência de calor (CHOUDHURY et al.,
2012). O fato de ser um sistema intermitente proporciona certas limitações com relação ao
desempenho do efeito de refrigeração e os requisitos de operação em baixa pressão, para
20
alguns pares de adsorvente/adsorvato, aumentam a dificuldade de obter hermeticidade (FAN;
LUO; SOUYRI, 2007).
Ao considerar todos esses aspectos é claramente visível que os ciclos de adsorção
apresentam grandes possibilidades no campo das energias renováveis, e por isso várias
pesquisas estão sendo desenvolvidos em áreas como projeto de sistemas, trabalhos
experimentais, simulações de transientes e diferentes pares de trabalho. De acordo com Wang
e Vineyard (2011) e Yong e Wang (2007) essas pesquisas têm como objetivos melhorar a
eficiência do sistema, reduzir os custos de produção, formulação de novos compostos
adsorventes com capacidade térmica conhecida, aumentar a quantidade de energia térmica
recuperada, sem acrescentar complexidade ao projeto e operação do sistema e por fim
otimizar a taxa de recuperação de massa para obter melhor desempenho energético em termos
de COP.
2.4 Energia Solar
A energia recebida pela Terra em forma de radiação, proveniente do Sol, é a principal
responsável pela manutenção da vida no planeta. Segundo Duffie e Beckman (1991), o Sol é
uma esfera gasosa intensamente quente, com temperaturas internas estimadas de 8 x 106 K a
40 x 106 K, e com uma densidade estimada em torno de 100 vezes maior do que a da água. A
energia solar é propagada através do vácuo por meio de radiações eletromagnéticas que
compreende desde ondas de raios cósmicos até ondas de rádio, conforme é apresentado na
figura 7.
Figura 7 – Espectro de radiação eletromagnética
Fonte: MARTINAZZO (2004, apud DUFFIE e BECKMAN, 1991)
21
De acordo com Cometta (1982), entre todos os comprimentos de onda emitidos no
espectro de radiação eletromagnética do Sol, 99% desta radiação está entre 0,28 m e 4,96
m, que compreende a faixa das radiações ultravioletas, luz visível e infravermelha. Cada
comprimento de onda existente dentro dessa faixa atinge a superfície terrestre com
intensidades de radiação eletromagnética diferentes, devido ao efeito de atenuação da
atmosfera. Duffie e Beckman (1991) descrevem o efeito de atenuação que a radiação solar
sofre ao atingir a atmosfera terrestre, que ocorre devido absorção pelo ozônio (O3), vapor de
água (H2O) e dióxido de carbono (CO2) da irradiância direta, conhecida como espalhamento
Rayleigh. Essa atenuação apresenta comportamentos que dependem das condições
atmosféricas, a figura 8 mostra a comparação entre a irradiância direta extraterrestre e após
sofrer a atenuação da atmosfera para uma condição atmosférica específica. Essas condições
são a espessura da camada vertical de ozônio (O3) em condições normais de temperatura e
pressão ( ), a água precipitável (w) calculada em centímetros, o nível
de turbidez da atmosfera, definido pelo parâmetro β, e a massa de ar que é a relação entre as
espessuras óticas da camada de ar na direção dada e na direção do zênite.
Figura 8 – Exemplo do espalhamento Rayleigh e absorção atmosférica sobre a distribuição espectral
da irradiância direta
Fonte: Adaptado de DUFFIE e BECKMAN (1991)
A figura 8 mostra que a máxima irradiação direta ocorre com um comprimento de
onda de 0,48 m e que a atenuação da irradiância direta para os diferentes comprimentos de
onda depende de uma condição específica da atmosfera, neste caso atmosfera limpa com o β
igual a zero, podendo alcançar valores iguais a 0,4 para atmosferas nubladas. A radiação solar
22
que atinge a superfície terrestre é resultado dos efeitos de atenuação provocados pela
atmosfera e que dão origem as radiações solar direta e difusa.
A radiação solar direta é parcela recebida do Sol pela superfície sem o efeito de
atenuação da atmosfera. A radiação difusa é a componente recebida por uma superfície após a
direção da radiação ser alterada pelo efeito de atenuação ou pela reflexão de outras superfícies
próximas. A radiação solar global é soma das componentes direta e difusa que incidem sobre
uma determinada superfície.
A irradiância é a taxa da energia radiante incidente sobre uma superfície, por unidade
de área da superfície, a unidade dessa grandeza é dada por W/m². A irradiação é a energia
incidente por unidade de área de uma superfície, é encontrada através da integração da
irradiância sobre um tempo especificado e a sua unidade é J/m².
2.4.1 Potencial da Energia Solar no Brasil
Com o intuito de estimar o potencial de radiação solar do território brasileiro, Tiba et
al. (2000) desenvolveram o Atlas Solarimétrico do Brasil, que apresenta os mapas de
isolinhas de irradiação solar e insolação do território brasileiro com as médias mensais e
anuais. A distribuição da intensidade média de irradiação solar global anual para todo o
território brasileiro está mostrada na figura 9.
23
Figura 9 – Irradiação solar global diária, média anual em MJ/m².dia
Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil (2000)
A figura 9 mostra que a média anual de irradiação solar varia entre 14 e 20 MJ/m² por
dia, sendo que os maiores valores são encontrados na região nordeste e os menores na região
sul. Contudo a maior parte do território apresenta uma irradiação global média anual de 18
MJ/m² por dia, o equivale a 5 kWh/m² por dia. Outra informação de grande relevância é a
quantidade de tempo em que se disponibilidade de radiação solar por dia, pois estes valores
dependem principalmente das condições climáticas de cada local que variam de acordo com o
período do ano.
A figura 10 apresenta a média anual em horas de insolação diária no território
brasileiro, com base nessa figura não é possível afirmar qual é o tempo médio que predomina
a maior parte do território brasileiro, sendo que a média anual varia entre 4 e 8 horas diárias.
24
Figura 10 – Insolação diária, média anual em horas.
Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil (2000)
De todo modo, de posse das informações da irradiação solar e da insolação diária é
possível determinar a radiação global média anual em uma determinada região. Considerando
a região do nordeste que apresenta as maiores médias anuais de insolação diária e irradiação
solar, é possível afirmar que a radiação solar global média anual é de aproximadamente 694
W/m², enquanto a região sul que apresenta a menor média anual de irradiação solar a radiação
solar global média anual é de aproximadamente 648 W/m².
Com base nas informações apresentadas nos mapas da figura 9 e da figura 10 é
possível afirmar que mesmo as regiões que apresentam a menor intensidade média anual de
irradiação solar global de todo o território, têm um potencial de energia solar próximo de
outras regiões com médias melhores. Isso por que mesmo apresentando variações na
intensidade de radiação solar global, o tempo médio anual de insolação é elevado e muito
semelhante na maior parte do território, com exceção de algumas áreas no interior da
Amazônia.
25
2.4.2 Aplicações da Energia Solar
A radiação solar que atinge a superfície do planeta Terra pode ser utilizada de
diferentes maneiras possíveis, que segundo Cometta (1982), a conversão da energia solar se
divide em três tipos de processos, dos quais se subdividem em outros, são eles: químicos,
elétricos e térmicos.
Os processos químicos são basicamente reações biológicas ou bioquímicas, que
podem ser descritas por meio da fotossíntese realizada pelas plantas. A eletricidade pode ser
obtida através de dois métodos diferentes que são a utilização de painéis fotovoltaicos,
constituídos de células de material semicondutor, ou geradores termoelétricos, que utilizam o
calor do Sol como fonte de energia primária. Por fim os processos térmicos convertem a
energia solar diretamente em calor e podem ser divididos em três partes com base no nível de
temperatura: baixa temperatura (<100°C), média temperatura (<1000°C) e alta temperatura
(>1000°C) (COMETTA, 1982).
Entre as aplicações práticas para aproveitamento da energia solar desenvolvidas
destacam-se os processos elétricos e térmicos, conforme citado anteriormente para esses tipos
de aplicações são utilizados painéis fotovoltaicos e coletores solares, respectivamente.
Segundo Duffie e Beckman (2006 apud Otanicar et al., 2012), da radiação solar incidente na
superfície terrestre, que pode ser aproveitada para suprimento de energia, cerca de 65%, em
virtude do comprimento de onda pode ser convertida em calor e os outros 35% são aplicáveis
para conversão usando painéis fotovoltaicos baseados em silício, conforme a figura 11 que
apresenta os valores percentuais dos comprimentos de onda da radiação solar que incidem
sobre um sistema fotovoltaico.
26
Figura 11 – Distribuição de energia solar aplicado a um sistema fotovoltaico
Fonte: Adaptado de DUFFIE e BECKMAN (2006 apud OTANICAR et al, 2012)
Com base na figura 11 é possível observar que a maior parte da energia solar incidente
em um painel fotovoltaico é convertida em calor e não pode ser utilizada para gerar
eletricidade. Segundo Duffie e Beckman (2006 apud Otanicar et al., 2012) dependendo do
meio absorvedor, um sistema térmico é capaz de absorver mais de 95% da radiação incidente,
entretanto, existem perdas inerentes a este processo de conversão o que reduz a energia útil
fornecida pelo sistema. Estas características tornam os sistemas que convertem energia solar
diretamente em calor mais eficientes do que os sistemas fotovoltaicos.
O aquecimento direto da água tem inúmeras aplicações práticas tanto no setor
residencial e comercial quanto no industrial. Nesta dissertação será analisado um sistema de
climatização alimentado por energia solar, conforme visto anteriormente os ciclos de
refrigeração solar podem ser classificados como processos térmicos de baixa e média
temperatura. Como o nível de temperatura exigido para o funcionamento do sistema não é
elevado, a aplicação de energia solar é possível por meio do uso de coletores solares que
atingem temperaturas entre 60 e 120°C.
2.4.3 Coletor Solar
O coletor solar é um equipamento mecânico capaz de converter a energia solar
incidente sobre a sua superfície em calor e transferir parte desta energia para um fluido de
trabalho. A quantidade de energia transferida para o fluido de trabalho depende basicamente
Útil a um PV
de Si ≈ 35%
Convertido em
calor ≈ 65%
27
de dois parâmetros básicos que são a intensidade da radiação solar incidente e a área
superficial do coletor. De modo geral os coletores solares apresentam diferentes aspectos
construtivos, entretanto, todos possuem um tubo pelo qual passa o fluido de trabalho, que é
aquecido quando a radiação atinge o mesmo.
Além da intensidade da radiação e das características dimensionais dos coletores, os
aspectos construtivos influenciam diretamente nos níveis de temperatura que podem ser
atingidos. Tendo em vista os aspectos construtivos Kalogirou (2009) classifica os tipos de
coletores solares existentes primeiramente com base no método de captação da radiação solar,
podendo ser estacionário e com rastreamento em um ou dois eixos, e posteriormente é levado
em consideração o formato do receptor de cada coletor, o que proporciona diferenças na
temperatura final atingida por cada um deles, conforme apresentado no quadro 1.
Quadro 1 – Classificação dos coletores solares pelo método de captação
Motora Coletor Receptor Relação de
Concentração
Faixa de
Temperatura (C°)
Estacionário
Solar Plano Plano 1 30 -80
Tubular a
Vácuo Plano 1 50 – 200
Parabólico
Composto Tubular
1 – 5 60 – 240
Rastreamento
em 1 Eixo
5 -15 60 – 300
Refletor Linear
Fresnel Tubular 10 - 40 60 – 250
Cilíndrico
Parabólico Tubular 10 - 85 60 – 400
Rastreamento
em 2 Eixos
Disco
Parabólico Pontual 600 - 2000 100 – 1500
Heliostato
(Torre Central) Pontual 300 - 1500 150 - 2000
Fonte: KALOGIROU (2009)
De acordo com o quadro 1 é possível observar que os coletores que apresentam um
sistema de rastreamento são capazes de atingir maiores temperaturas, não só pelo fato de
acompanharem a trajetória do Sol durante o dia, mas também porque o formato do receptor
exige que o aquecimento seja feito por meio de radiação direta. Nestes casos a radiação direta
é concentrada em uma única região, podendo ser tubular ou pontual, o que permite o coletor
atingir maiores níveis de temperatura. Contudo quanto maior o nível de temperatura, mais
elaborado é o sistema de captação e também o de controle, o que aumenta os custos deste tipo
de coletor.
28
Tendo em vista os níveis de temperatura exigidos pelos ciclos de refrigeração solar e
as características relacionadas ao custo e complexidade de construção e controle do sistema,
os coletores solares planos e tubulares a vácuo são os mais utilizados para este tipo de
aplicação.
2.4.3.1 Coletor Solar Plano
É um dos tipos de coletores solares mais utilizados devido ao seu baixo custo,
comparado aos demais modelos, e também porque a maioria das aplicações residenciais para
água quente não exigem elevados níveis de temperatura o que torna adequada a utilização
deste tipo de coletor. É constituído basicamente por uma cobertura externa de vidro, um
material absorvedor no qual será colocado o tubo por onde passa o fluido a ser aquecido e
uma base feita com um isolante térmico. A figura 12 mostra esta estrutura básica construtiva
bem como a distribuição da radiação solar incidente.
Figura 12 – Esquema construtivo e distribuição da radiação solar no coletor plano
Fonte: ZILLES (1987)
De acordo com a figura 12 observa-se que o fluido absorve calor por meio da radiação
que incide diretamente no tubo e também a parcela captada pelo material absorvedor no qual
o tubo está instalado. A cobertura de vidro tem por objetivo atenuar as perdas por convecção e
o material isolante da base reduz as perdas do tubo e do absorvedor por condução. Com isso é
possível identificar quais são as principais perdas que ocorrem no processo de conversão da
energia solar em calor e determinar como se comporta o rendimento do coletor solar.
Assim como os demais equipamentos e máquinas que trabalham com o processo de
conversão de energia, o rendimento do coletor solar também é definido com base na razão
entre a energia útil fornecida e a energia total que alimenta o processo, conforme a equação
(5).
29
(5)
Onde Qu é a energia térmica do fluido que circula pelo coletor e pode ser encontrada
por meio da equação (6).
(6)
Com base na figura 12 é possível observar que a radiação solar incidente na superfície
absorvedora e no tubo por onde passa o fluido, depende diretamente da transmitância da
cobertura de vidro (τ) e da absortância da placa absorvedora (α). Por sua vez conforme a
temperatura da placa absorvedora (Tc) aumenta e se torna maior que a do ambiente (Ta), a
quantidade de calor que irradia da placa para o ambiente aumenta e consequentemente a
energia absorvida pelo fluido reduz. Segundo Zilles (1987) esta perda pode ser definida com
base em um fator de proporcionalidade (UL), de modo que a energia absorvida pelo coletor é
calculada de acordo com a equação (7).
( ) ( ) (7)
A equação (7) mostra que a energia absorvida pelo coletor solar é diretamente
proporcional ao fator de remoção de calor (FR), que é o resultado da razão entre o calor útil
verdadeiro com o calor útil do coletor para a situação em que toda a placa absorvedora está na
mesma temperatura do fluido na entrada do coletor, ou seja, trata-se de um fator de eficiência
que quantifica a parcela de calor absorvida pelo coletor que é transferida para o fluido.
Combinando as equações (5) e (7), tem-se que o rendimento do coletor também pode
ser determinado pela equação (8), apresentada a seguir.
( )
( )
(8)
O rendimento do coletor é máximo e igual ao produto entre o fator de remoção de
calor, transmitância e absortância, quando as temperaturas do coletor e do ambiente são as
mesmas. Contudo, a temperatura da superfície absorvedora “varia ponto a ponto sobre a placa
absorvedora, é difícil sua determinação experimental. Portanto, é conveniente expressar a
30
energia útil retirada por meio da temperatura de entrada ou pela temperatura média do fluido”
(ZILLES, 1987, p. 24). Deste modo o rendimento do coletor solar pode ser calculado com
base na temperatura média do fluido (Tm) e na adição de um coeficiente de transferência de
calor quadrático, comumente fornecido pelos fabricantes, conforme a equação (9).
( )
( )
(9)
A equação (9) apresenta a equação genérica do rendimento do coletor solar tendo
como valores constantes as características construtivas que determinam a magnitude das
perdas em função da radiação incidente e da diferença de temperatura entre o coletor e o
ambiente.
2.4.3.2 Coletor Solar Plano com Tubo Evacuado
Este tipo de coletor apresenta a mesma disposição plana do tipo descrito na seção
anterior, entretanto, o coletor com tubo evacuado possui aspectos construtivos que reduzem as
perdas de calor para o meio externo, o que aumenta a sua eficiência e os níveis de temperatura
do fluido de trabalho.
A construção deste coletor é baseada na associação de tubos que tem uma camada
externa de vidro transparente e internamente possuem um tubo absorvedor, pintado de cor
preta que aumenta a absorção de radiação. Entre a camada de vidro e o absorvedor é
produzido vácuo que reduz as perdas de calor por condução e convecção, como mostra a
figura 13.
31
Figura 13 – Estrutura de um tubo evacuado
Fonte: Adaptado de KALOGIROU (2009)
Conforme é possível observar na figura 13, o calor absorvido da radiação solar é
transferido para o fluido de trabalho por meio de um cabeçote que está em contato direto com
o absorvedor. O fluido inserido no cabeçote é aquecido e passa por um processo de
evaporação e, ao entrar em contato com a parte superior transfere parte do calor adquirido
para o fluido de trabalho, retornando ao estado líquido e reiniciando o ciclo que pode ser
observado na figura 14.
Figura 14 – Estrutura do cabeçote condutor de calor
Fonte: Adaptado de APRICUS (2014)
O cabeçote condutor de calor tem como principal característica construtiva o fato de
que o diâmetro da parte inferior do tubo, que entra em contato com o absorvedor, é menor que
o diâmetro da parte superior, que entra em contato com o fluido de trabalho. Isto reduz o
32
tempo de aquecimento do fluido do cabeçote e aumenta a transferência de calor para o fluido
de trabalho (APRICUS, 2014).
As características construtivas e o princípio de funcionamento do tubo evacuado são
utilizados em outras configurações de coletores solares, como, por exemplo, o parabólico
composto e o cilíndrico parabólico, que possuem uma estrutura refletora que concentram a
radiação solar direta no tubo evacuado. De modo geral é possível concluir que conforme são
inseridos novos elementos que reduzem as perdas e aumenta à quantidade de energia
absorvida, maiores são níveis de temperatura atingidos, entretanto, os custos de aquisição são
proporcionais à complexidade e eficiência dos coletores.
33
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Nesse capítulo é apresentada a estrutura do sistema de climatização por adsorção, bem
como as localizações e especificações técnicas dos sensores responsáveis pelo monitoramento
da operação do sistema. Inicialmente a estrutura desse sistema é dividida em duas partes, onde
a primeira apresenta o sistema de captação e armazenamento de energia térmica e a segunda
parte é referente à máquina de adsorção. Por fim é apresentado o princípio de funcionamento
do sistema de controle de ambas as partes.
O procedimento de análise dos resultados de operação é realizado com base nas
condições climáticas típicas do local que o sistema está implantado. Para tanto foi estimada a
radiação solar média típica do local, utilizando as informações disponíveis no arquivo
climático do programa Energy Plus. O arquivo usado foi o da cidade de Campo Verde (MT),
pois além da proximidade geográfica apresenta uma altitude em relação ao nível do mar
semelhante ao do munícipio de Chapada dos Guimarães.
A partir do valor médio típico de radiação solar do local são analisadas as condições
de funcionamento do sistema para três situações climáticas diferentes, que são os dias em que
a radiação solar média incidente é maior, menor e próxima ao valor médio típico do local.
Com isso é possível identificar as características de operação da máquina para diferentes
situações do fornecimento de energia solar.
3.1 Sistema de Climatização por Adsorção
O sistema de climatização analisado nessa dissertação está localizado no município de
Chapada dos Guimarães, com uma altitude de aproximadamente 763 m, e tem por objetivo a
climatização dos quartos de uma pousada. Esse sistema é alimentado pela energia térmica
obtida da radiação solar e opera por meio do princípio de aquecimento indireto dos leitos
adsortivos, entretanto a máquina de adsorção utilizada nesse sistema foi projetada para operar
com rejeito térmico, isso significa que se trata de um sistema experimental. A máquina de
adsorção está instalada dentro de um container onde é ligada aos demais circuitos do sistema
de climatização. A figura 15 apresenta a vista exterior do container e dos coletores solares.
34
Figura 15 – Foto dos coletores solares e do container
A figura 16 apresenta um diagrama de blocos que relaciona as partes do sistema de
climatização como um todo e identifica por meio de números a quantidade de energia que está
entrando e saindo de cada processo.
Figura 16 – Fluxo de energia do sistema de climatização
As setas identificadas com números na figura 16 são descritas a seguir:
1 – Energia solar incidente sobre os coletores solares;
2 – Energia solar absorvida pelos coletores solares;
3 – Energia térmica fornecida pelo reservatório térmico à máquina de
adsorção;
4 – Energia térmica retirada das paredes dos quartos pelo evaporador;
5 – Energia térmica rejeitada ao meio externo pelo radiador.
35
O sistema de climatização é composto de diferentes circuitos que são ligados à
máquina de adsorção, o arranjo que mostra todas as partes que compõem o sistema é
apresentado na figura 17.
Figura 17 – Sistema de climatização por adsorção
A figura 17 mostra o sistema de climatização como um todo, onde a linha pontilhada
representa os limites do container. A figura 18 mostra uma foto do interior do container, onde
estão abrigados o reservatório térmico, a máquina de adsorção e os demais componentes do
sistema de climatização.
Figura 18 – Foto interna do container
As partes do sistema indicados pelos números de 1 a 5 são, respectivamente, o
reservatório térmico, as tubulações dos circuitos do sistema de climatização, a máquina de
36
adsorção, o painel de proteção elétrica e aquisição de dados e o computador que armazena os
dados de operação.
A estação meteorológica representa os sensores que monitoram a temperatura
ambiente, humidade, radiação solar e pressão atmosférica. Além disso, o sistema também
possui sensores de temperatura e vazão nos demais circuitos da máquina, que são
apresentados nas seções a seguir.
3.2 Medição das Variáveis
Foram utilizados no sistema de climatização por adsorção em cada um dos circuitos
ligados à máquina de adsorção e nos coletores solares, um sensor de vazão e dois sensores de
temperatura, que medem as temperaturas da água no ponto de entrada e saída. A estação
meteorológica é composta por um termo higrômetro e um piranômetro, cujas especificações
técnicas são apresentadas com demais sensores na tabela 3.
Tabela 3 – Características técnicas dos sensores utilizados
Sensor Especificações Função
Termo Higrômetro
Fabricante: TOSS Gmbh
Modelo: 10102
Faixa de operação:
Temperatura: -40°C – 60°C
Humidade: 0 – 100%
Incerteza: ±0,3 K (-40°C – 60°C)
±3% (0 – 100%)
Medir a temperatura e a
humidade relativa do
ambiente externo.
Piranômetro
Fabricante: TOSS Gmbh
Modelo: 10197
Faixa de operação: 0 – 1200 W/m²
Temperatura de trabalho: -25°C – 70°C
Erro absoluto: < 10%
Medir a radiação solar
global.
Termo resistência
Fabricante: TMG
Modelo: Typ WI21
Faixa de operação: -35°C – 200°C
Incerteza: Classe B, conforme a norma
DIN IEC 751
Medir a temperatura da
água nos pontos de entrada
e saída dos circuitos dos
coletores solares, da
dessorção, da evaporação e
da condensação.
Vazão
Fabricante: Meister Strömungstechnik
gmbh
Modelo: TDHS-25A/MS
Faixa de operação: 0-160 l/min
Incerteza: ± 3% da leitura
Medir a vazão dos circuitos
dos coletores solares, da
dessorção, da evaporação e
da condensação.
37
Com base nos dados medidos pelo piranômetro e na área total de coletores solares é
calculada a potência solar total recebida pelos coletores solares. O piranômetro e o termo
higrômetro estão instalados na estação meteorológica, fora do container, e conectados via
cabo com o sistema de aquisição de dados. A figura 19 apresenta a foto do termo higrômetro,
do barômetro e do piranômetro, posicionados da esquerda para direita, respectivamente.
Figura 19 – Foto da estação do tempo
Conforme apresentado na Figura 19, o piranômetro está instalado em um plano
horizontal, paralelo ao solo, enquanto que os coletores solares estão instalados com um
determinado ângulo. Deste modo é necessário ressaltar que a radiação solar global medida
pelo piranômetro será maior que a radiação incidente sobre a superfície dos coletores, uma
vez que a área dos coletores para a absorção da radiação solar direta é menor devido ao
ângulo de inclinação. Com isso a tendência é que o rendimento dos coletores calculados com
base nesses valores de radiação seja ligeiramente maior.
O posicionamento dos demais sensores de temperatura e vazão é apresentado nas
seções a seguir, e com base nas informações coletadas por esses sensores é calculada a
potência térmica de cada um dos circuitos da máquina, para posteriormente identificar a
potência de climatização, a eficiência da máquina de adsorção e do sistema como um todo.
3.3 Captação e Armazenamento da Energia Térmica
Esse sistema é composto por coletores solares planos e um reservatório térmico, que
estão ligados de acordo com a figura 20.
38
Figura 20 – Sistema de captação e armazenamento de energia térmica
Além do reservatório térmico e dos coletores solares, o sistema da figura 20 é
composto por quatro sensores de temperatura, do tipo PT100 capaz de medir temperaturas que
variam de -35°C a 200°C. As temperaturas de saída e entrada da água dos coletores são
monitoras pelos sensores “T-101” e “T-102”, respectivamente. O sensor de vazão “F-301” é
responsável por medir a quantidade de água que circula entre os coletores solares e o
reservatório térmico. Com base na diferença de temperatura entre esses dois sensores e na
quantidade de água que circula através dos coletores, é possível calcular a quantidade de
energia térmica absorvida pelos coletores por meio da equação (6).
O sensor “T-112” mede a temperatura de um ponto da superfície absorvedora dos
coletores, enquanto o sensor “T-113” monitora a temperatura do reservatório térmico. A
comparação entre as duas temperaturas determina os momentos em que a bomba “P01” é
acionada. A figura 21 apresenta a foto do sensor de temperatura “T-112” conectado na parte
lateral do coletor solar.
39
Figura 21 – Foto do sensor “T-112” conectado no coletor solar
3.3.1 Coletor Solar
Este sistema de climatização absorve a radiação solar por meio de 36 m² de coletores
solares planos que estão inclinados a 17° com orientação para a direção norte. Os coletores
estão montados sobre troncos de madeira que sustentam a estrutura metálica na qual os
coletores são apoiados, conforme apresentado na figura 15.
Os coletores solares estão montados em três linhas paralelas de seis coletores em série,
e sob essa estrutura encontra-se o container que abriga as demais partes do sistema. As
informações técnicas referentes às características construtivas e de desempenho, como, a
temperatura e os coeficientes de rendimento do coletor solar são apresentadas na tabela 4.
Tabela 4 – Informações técnicas do coletor solar plano para aquecimento de água
Fabricante Rehau Solect
Dimensões (C x L x A) 2.356 x 1.081 x 100 mm
Peso 42 kg
Área do Absorvedor 2,16 m²
Volume 1,5 l
Eficiência Máxima (η0) 0,77
Coeficiente de Transferência de Calor Linear (A) 3,494 W/(m².K)
Coeficiente Transferência de Calor Quadrático (B) 0,017 W/(m².K²)
Temperatura de Estagnação 218°C
Vazão Recomendada 40 – 50 l/(h.m²)
Condições de Teste 800 W/m² Fonte: Solarthermie Rehau Solect (2014)
De acordo com as informações apresentadas na tabela 4, o máximo rendimento que é
possível obter com este coletor é 77%, o que ocorre quando a temperatura do ambiente e a
temperatura média da água que circula pelos coletores são as mesmas. O gráfico da figura 22
mostra o comportamento do rendimento do coletor em função da temperatura média da água
(Tm), de acordo com a equação (9), para duas situações diferentes, em uma delas a radiação
40
solar média é igual a 800 W/m² e na outra esse valor é de 348 W/m². A segunda condição
deste gráfico leva em conta a radiação solar média diária do local de instalação do sistema,
contudo nas duas condições foi utilizado o mesmo valor de temperatura ambiente de 25°C.
Figura 22 – Rendimento do coletor solar em função de Tm
A figura 22 mostra que em ambas as condições o rendimento inicia no seu ponto
máximo e reduz o seu valor conforme a temperatura média da água aumenta. Essa condição é
válida para uma situação com radiação solar e temperatura ambiente constante, algo que não
ocorre na prática. Por meio desse gráfico é possível observar que o rendimento do coletor
solar cresce conforme o valor da radiação solar incidente aumenta, portanto estima-se que, ao
considerar a temperatura média do ambiente igual a 25°C, esse coletor solar é capaz de atingir
aproximadamente 138°C de temperatura média da água quando a radiação solar incidente for
800 W/m², conforme os dados técnicos fornecidos pelo fabricante.
De acordo com as informações previamente apresentadas na revisão bibliográfica, o
rendimento do coletor pode ser calculado por meio de duas equações diferentes. A primeira é
a equação (9), que leva em conta os parâmetros de eficiência ótica, taxas de perda de calor
para o ambiente, a radiação solar e as temperaturas da superfície do coletor e do ambiente. O
segundo método determina o rendimento com base na equação (5), que considera a vazão de
água através dos coletores, as temperaturas de entrada e saída da água e a radiação solar
incidente.
O objetivo de calcular o rendimento do coletor solar por meio dessas duas equações é
que nos momentos em que a bomba “P01” estiver desligada, a vazão do circuito é nula, e
41
consequentemente o valor do rendimento obtido por meio da equação (5) será zero. Contudo a
água que permanece nos coletores solares continua sendo aquecida pela radiação solar, ou
seja, o rendimento nessa situação é diferente de zero. Deste modo a equação (9) permite
estimar o rendimento para os momentos em que a vazão do circuito é igual a zero, contudo
esse não é o método mais indicado para quantificar o rendimento nessa situação, pois não
considera os efeitos de aquecimento dos coletores como um todo. Para as demais situações em
que a vazão do circuito é diferente de zero, o rendimento obtido por meio da equação (5),
fornece valores mais confiáveis, uma vez que o mesmo é calculado diretamente com base nos
valores de potência solar incidente e potência térmica absorvida.
Conforme apresentado na revisão bibliográfica, a equação (9) utiliza como referência a
temperatura média da água que circula pelo coletor, devido a dificuldade na determinação da
temperatura média da superfície absorvedora do coletor solar. Contudo para fins de
comparação, nessa dissertação é calculado o rendimento do coletor solar utilizando a
temperatura média da água e também a temperatura obtida pelo sensor “T-112”.
3.3.2 Reservatório Térmico
Devido ao fato de que a radiação solar apresenta variações não só ao longo do dia, mas
também durante os meses do ano, o desempenho do sistema de climatização não é constante.
O reservatório térmico tem a função de tornar o comportamento da máquina mais uniforme e
também aumentar o seu tempo de funcionamento, pois nos períodos em que a radiação solar
não é suficiente para fazer o sistema funcionar o reservatório armazena esse calor para usar ao
longo do dia.
Este reservatório térmico é um dos principais componentes do sistema e possui
ligações com os coletores solares, a máquina de adsorção e também com o circuito dos
quartos caso haja necessidade que os mesmos sejam aquecidos. A figura 23 mostra as
conexões das tubulações dos circuitos do sistema de climatização no reservatório térmico.
42
Figura 23 – Foto das conexões das tubulações no reservatório térmico
O reservatório térmico, com capacidade de armazenar 2000 litros de água, tem uma
camada externa de isolação térmica que reduz as perdas de calor. O sentido de circulação da
água das tubulações, identificadas pelas numerações de 1 a 4 na figura 23 são:
1 – Sai do reservatório térmico para os coletores solares;
2 – Retorna dos coletores solares para o reservatório térmico;
3 – Sai do reservatório térmico para a máquina de adsorção;
4 – Retorna da máquina de adsorção para o reservatório térmico.
3.4 Sistema da Máquina de Adsorção
A máquina de adsorção possui conexão com o reservatório térmico, os quartos e o
radiador e cada um desses três circuitos tem a sua função específica dentro do ciclo de
refrigeração. O circuito do reservatório térmico tem a função de promover o processo de
dessorção, o circuito dos quartos retira a carga térmica dos mesmos através da água fria
produzida pela adsorção e por fim o radiador rejeita para o ambiente externo a energia térmica
adquirida no processo de dessorção. O esquema de ligação desses circuitos na máquina de
adsorção e a localização dos sensores instalados são representados na figura 24.
43
Figura 24 – Sistema da máquina de adsorção
A figura 25 mostra parte das tubulações que se conectam com a máquina de adsorção
e os sensores que medem as temperaturas de entrada e saída de cada circuito.
Figura 25 – Fotos dos sensores de temperatura dos circuitos da máquina
Nos itens a seguir serão apresentadas as descrições das partes que compõem os
circuitos da máquina de adsorção, as especificações técnicas da máquina e de que maneira
serão trabalhadas as informações adquiridas por meio dos sensores de temperatura e vazão.
3.4.1 Máquina de Adsorção
A máquina de adsorção em questão opera de acordo com o princípio de aquecimento
indireto com dois leitos adsortivos que funcionam defasados entre si, ou seja, enquanto um
está passando pelo processo de adsorção o outro se encontra no processo de dessorção. A
44
máquina de adsorção usada neste sistema tem uma potência nominal de climatização de 10
kW, com um COP nominal de 0,50 e opera com o par zeolita/água, sendo capaz de atingir
temperaturas de água fria que variam entre 6 e 25°C, as demais informações técnicas
fornecidas pelo fabricante estão no anexo A, a foto do modelo da máquina de adsorção é
apresentada na figura 26.
Figura 26 – Máquina de adsorção
De acordo com o manual do fabricante os valores nominais da máquina são atingidos
dentro de certas condições de operação, onde são apresentadas no gráfico da figura 27 as
condições necessárias para atingir o COP nominal.
45
Figura 27 – Curvas do COP em função das temperaturas de dessorção e arrefecimento
Fonte: (INVENSOR, 2010)
O gráfico da figura 27 apresenta quatro curvas de COP, para diferentes temperaturas
de água fria e arrefecimento dos leitos adsortivos, que variam em função da temperatura da
água no processo de dessorção. É possível observar que os maiores valores de COP são
obtidos quando a temperatura de arrefecimento é 27°C e que o ponto nominal de operação é
alcançado quando a temperatura de dessorção é 85°C. A figura 28 apresenta os dados
fornecidos pelo fabricante para o comportamento da capacidade de climatização da máquina
para as mesmas condições de operação.
46
Figura 28 – Capacidade de climatização em função das temperaturas de dessorção e arrefecimento
Fonte: (INVENSOR, 2010)
De acordo com os dados fornecidos pelo fabricante e apresentados no gráfico da figura
28 é possível observar que a máquina atinge a potência nominal quando a temperatura da água
no processo de dessorção é de 85°C, a temperatura de retorno da água no processo de rejeição
de calor é 27°C e a temperatura da água fria produzida está entre 15 e 18°C. Com base ainda
nesse mesmo gráfico é possível observar que, para as mesmas temperaturas de água fria e
arrefecimento, a máquina é capaz de atingir uma potência superior a 12 kW, contudo nessa
situação o COP permanece praticamente o mesmo.
Essa máquina possui um sistema de controle que promove a abertura e o fechamento
automático de suas válvulas que conectam os circuitos do reservatório térmico, do evaporador
e do radiador, de acordo com as temperaturas monitoradas em cada uma destas partes. Esse
controle das válvulas é realizado por meio do painel inversor que direciona o fluxo de água de
cada um dos circuitos. O sistema de controle é composto por um painel de controle que
contém dispositivos elétricos de proteção e medidores de potência.
3.4.1.1 Circuito de Dessorção
Este circuito é ligado diretamente ao reservatório térmico e tem a função de reduzir a
concentração de refrigerante no adsorvente por meio da inserção de calor. A análise desse
circuito será fundamentada na comparação da energia térmica consumida com a variação de
47
temperatura do reservatório térmico. O cálculo dessa energia é desenvolvido com base na
equação (6), em que são considerados os valores de vazão registrados pelo sensor “F-302” e a
diferença de temperatura dos sensores “T-103” e “T-104”, apresentados na figura 24. Por fim
a quantidade de energia consumida nesse circuito é necessária para a determinação da
eficiência de operação da máquina.
3.4.1.2 Evaporador
A análise desse circuito tem como objetivo quantificar a energia térmica retirada dos
ambientes através da água fria produzida pela adsorção. Para isso será utilizada a equação (6)
e os valores registrados pelo sensor de vazão “F-303” e os sensores de temperatura “T-105” e
“T-106”. Conhecendo as quantidades de energia térmica retirada dos ambientes e fornecida ao
processo de dessorção, será calculada a eficiência da máquina de adsorção por meio da
equação (3). Além disso, serão comparadas as temperaturas da água fria nos pontos de entrada
e saída do evaporador, com objetivo de identificar a redução de temperatura obtida pelo
processo de adsorção.
Nesse sistema de climatização o método adotado para resfriamento dos ambientes
internos é o painel radiante, que consiste em tubulações em forma de serpentina que são
alocadas entre a superfície das paredes internas dos quartos e o reboco. Nessa situação o calor
é retirado do ambiente por meio da condução térmica do reboco interno para a tubulação, que
também evita parte da transmissão do calor externo que é conduzido por meio dos tijolos para
a serpentina. A estrutura básica utilizada para instalação desta serpentina na envoltória é
apresentada na figura 29.
48
Figura 29 – Serpentina do evaporador
Fonte: Technische Information (2014)
De acordo com a figura 29 observa-se que as tubulações são fabricadas com um
material plástico e flexível com diâmetro na ordem de 15 mm.
3.4.1.3 Rejeição de Calor
Sendo o radiador a parte responsável pela rejeição de calor adquirido nos processos de
evaporação e dessorção, o cálculo da energia rejeitada tem o objetivo de verificar as possíveis
diferenças de energia que podem existir na relação desses processos. Assim como as etapas
anteriores, a energia rejeitada para o ambiente pelo radiador será calculada através da equação
(6) e utilizando os valores monitorados pelos sensores de vazão “F-304” e temperatura “T-
107” e “T-108”.
O radiador deste sistema é composto por um conjunto de serpentinas que rejeitam o
calor adquirido pela máquina após o processo de dessorção. Como é possível observar na
figura 30 este radiador está localizado na parte de cima do container e abaixo dos coletores
solares, de modo que o mesmo passa a maior parte do dia na sombra o que aumenta a
quantidade de calor rejeitado, melhorando a eficiência do sistema de climatização.
49
Figura 30 – Foto do radiador
O radiador apresentado na figura 30 ainda contém dois exaustores que forçam a
passagem do ar externo pelas serpentinas e que são acionados junto com a bomba de
circulação da água desse circuito.
3.5 Características de Operação
Conforme descrito nos capítulos anteriores, o ciclo de adsorção pode ser dividido em
quatro etapas, que são basicamente os processos de adsorção, aquecimento isostérico,
dessorção e resfriamento isostérico. Todas essas etapas dependem fundamentalmente do fato
da existência de energia térmica para a alimentação do processo de dessorção, uma vez que o
leito adsortivo se encontra com baixa concentração de refrigerante, é possível que as demais
etapas possam acontecer.
Por meio dos sensores de temperatura instalados em diferentes partes do sistema de
climatização, conforme apresentado nas figuras 19 e 23, o controle da máquina aciona as
bombas que fazem a água circular nos circuitos de dessorção, condensação e evaporação. O
monitoramento das variáveis que estão envolvidas no processo de funcionamento, bem como
a consulta dos valores registrados de cada uma delas, é realizado por meio de um CLP da
marca Siemens, modelo S7-300, e de um software supervisório, desenvolvido pela empresa
que executou o projeto de montagem deste sistema.
O início do funcionamento da máquina está condicionado ao fato que a temperatura do
reservatório deve ser igual a 85°C. A máquina terá o seu funcionamento interrompido quando
a temperatura do reservatório térmico estiver abaixo de 75°C ou quando for superior a 100°C.
50
Assim como os circuitos que são ligados diretamente à máquina de adsorção são
controlados através da temperatura do reservatório, o circuito que conecta os coletores solares
ao reservatório térmico é acionado quando a temperatura da superfície do coletor estiver 2°C
maior que a temperatura do reservatório, e desligado quando ambos têm a mesma
temperatura. Isto significa que a bomba que circula a água nos coletores funciona apenas
quando os mesmos apresentarem condições de fornecer energia para o reservatório, o que
reduz as perdas de calor do reservatório para meio externo.
51
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados apresentados nessa seção são iniciados pelo comportamento do sistema,
com relação às condições de funcionamento dos circuitos do coletor solar e daqueles que
estão ligados diretamente à máquina de adsorção. Posteriormente são apresentados os
resultados das potências térmicas de cada uma das partes do sistema, bem como são
analisadas as temperaturas do fluido de trabalho nos diferentes circuitos do sistema, com base
no princípio de operação do ciclo de adsorção. Por fim é desenvolvida uma análise que
relaciona o fluxo de energia através do sistema, a eficiência da máquina de adsorção e
também do sistema como um todo.
No entanto, antes de iniciar a análise dos resultados da operação do sistema, é
necessário estabelecer a condição de referência para a verificação dos mesmos. Conforme
apresentado no capítulo anterior, as informações de radiação solar do arquivo climático do
município de Campo Verde que serão aplicadas para este objetivo são apresentadas na figura
31.
Figura 31 – Média horária mensal da radiação solar global da cidade de Campo Verde – MT
A figura 31 mostra o comportamento típico da radiação solar global ao longo do ano
durante o período diurno que compreende o horário entre as 06h00min e 18h00min, no qual a
média anual horária é em torno de 348 W/m², sendo este o valor adotado como referência para
desenvolver as análises posteriores. A figura 32 apresenta a comparação dos valores médios
horários de radiação solar para três meses do ano.
52
Figura 32 – Variação horária dos valores médios de radiação solar global da cidade de Campo Verde –
MT
O gráfico da figura 32 mostra que para diferentes períodos do ano existem diferenças
na intensidade da radiação solar global ao longo do dia. Com base nisso, os três dias
analisados são classificados de acordo com o valor médio da radiação solar, conforme
apresentado na tabela 5. Além dos valores médios da radiação solar, são apresentados os
valores médios das temperaturas do ambiente externo, medido pelo sensor instalado na
estação meteorológica.
Tabela 5 – Valores médios da radiação solar global e temperatura ambiente
Dia Radiação solar
[W/m²]
Temperatura
Ambiente [°C] Classificação
13 de agosto de 2012 487,95 28 A
10 de junho de 2013 347,52 27 B
24 de abril de 2013 268,52 25 C
Os dados de operação e as análises das próximas seções são identificados por meio da
classificação atribuída para cada um dos dias na tabela 5.
4.1 Condições de Operações
As condições de operações são divididas em três situações distintas no funcionamento
do sistema, em que são comparadas a radiação solar disponível e a temperatura da água fria
53
produzida, as condições de operação do circuito de captação de energia térmica e por fim as
condições de operação da máquina de adsorção.
4.1.1 Radiação Solar e Produção de Água Fria
O sistema como um todo possui um controle de automação que determina em que
condições os circuitos do coletor solar e da máquina de adsorção devem entrar em operação.
A seguir são apresentadas as figuras que comparam a temperatura da água fria produzida pela
máquina de adsorção conforme a variação da radiação solar ao longo de cada um dos dias
analisados. Devido ao processo de adsorção, a temperatura da água fria medida pelo sensor
“T106”, apresenta variações que dificultam a visualização gráfica da mesma. Com o objetivo
de melhorar a visualização gráfica da temperatura da água fria, será identificado o período de
operação da máquina e calculada a média da temperatura com base no tempo de duração do
processo de adsorção.
Figura 33 – Radiação solar e temperatura da água fria, dia “A”
A figura 33 mostra que no dia “A” a temperatura média da água fria produzida pela
máquina foi de aproximadamente 22°C, e que a sua produção se iniciou as 10h06min e
encerrou às 16h49min. A figura 34 apresenta a mesma comparação para o dia “B”.
54
Figura 34 – Radiação solar e temperatura da água fria, dia “B”
De acordo com a figura 34 o dia “B” apresenta variações nos valores de radiação solar
medidos, o que pode ser explicado pela existência de nuvens que influenciam diretamente na
incidência da radiação solar na superfície terrestre. Apesar da temperatura média da água fria
produzida ser manter em aproximadamente 22°C, o tempo de produção é menor quando
comparado ao dia “A”, nesse caso a produção iniciou às 10h13min e encerrou às 14h57min. A
figura 35 mostra o comportamento do dia “C”.
Figura 35 – Radiação solar e temperatura da água fria, dia “C”
55
A figura 35 mostra que existem variações nos valores de radiação solar medidos até
próximo das 12h00min, e depois os valores instantâneos registrados são menores que 250
W/m². Apesar da temperatura média da água fria produzida ser aproximadamente 21°C, o seu
tempo total de produção foi menor que os dias anteriores, começando às 09h46min e
terminando às 12h55min.
4.1.2 Condições de Operação do Circuito de Captação de Energia Térmica
Para a máquina entrar em operação é necessário que a temperatura da água quente
fornecida pelos colores solares ao reservatório térmico tenha um nível mínimo necessário para
a execução do processo de dessorção e, consequentemente, a adsorção para a produção de
água fria. O acionamento da bomba que movimenta a água no circuito do coletor solar é
realizado sempre que a temperatura de referência do coletor é aproximadamente 2°C maior
que a temperatura do reservatório como pode ser observado nas figuras a seguir, que
apresentam o acionamento da bomba do circuito que liga os coletores solares ao reservatório
térmico para os dias analisados.
Figura 36 – Operação do circuito do coletor solar, dia “A”
A figura 36 mostra o tempo de funcionamento da bomba do circuito do coletor solar
para o dia “A”, em que a bomba do circuito dos coletores solares iniciou o funcionamento às
07h50min e encerrou às 15h40min. A figura 37 apresenta o comportamento do circuito dos
coletores solares para o dia “B”.
56
Figura 37 – Operação do circuito do coletor solar, dia “B”
A figura 37 mostra que no dia “B” o acionamento da bomba dos coletores solares
iniciou às 07h59min e encerrou às 15h40min, funcionando assim por um período de tempo
menor que o dia “A”. A figura 38 apresenta as condições de operação para o dia “C”.
Figura 38 – Operação do circuito do coletor solar, dia “C”
De acordo com a figura 38 no dia “C” o circuito dos coletores solares começou a
operar às 07h46min e encerrou às 11h46min, isso se deve ao fato de que o tempo de
57
funcionamento desse circuito é proporcional aos valores de radiação solar incidente nos
coletores.
O critério de acionamento do circuito de captação de energia térmica é baseado no fato
de que o objetivo desse circuito é fornecer calor para o reservatório térmico, ou seja, para que
isso ocorra é necessário que a temperatura do coletor solar seja maior que a do reservatório
térmico, caso contrário o fluxo de calor seria invertido. As condições de funcionamento
intermitente da bomba podem ser explicadas pelo fato de que apesar da temperatura do
coletor ser suficiente para o acionamento do circuito, a radiação solar incidente não é capaz de
manter a temperatura do coletor e, consequentemente, ocorre uma redução de temperatura
devida à transferência de calor para o reservatório térmico e o circuito é desligado.
4.1.3 Condições de Operação da Máquina de Adsorção
A operação da máquina de adsorção depende do nível de temperatura disponível no
reservatório térmico para alimentação do processo de dessorção, permitindo assim o
funcionamento dos demais processos da máquina. Deste modo é estabelecido que a
temperatura mínima necessária do reservatório para iniciar o processo de dessorção é próxima
de 85°C e a interrupção ocorre quando a temperatura é aproximadamente 75°C. O
comportamento da bomba que promove a circulação da água entre o reservatório térmico e a
máquina de adsorção, bem como a variação da temperatura do reservatório são apresentadas
nas figuras a seguir.
58
Figura 39 – Operação do circuito de dessorção da máquina de adsorção, dia “A”
A figura 39 mostra que o período de funcionamento do circuito de dessorção é o
mesmo período de produção de água fria, apresentado para o dia “A”, isso porque ambos os
processos ocorrem ao mesmo tempo em leito adsortivos diferentes. Para o dia “A” a
temperatura máxima atingida pelo reservatório térmico foi de aproximadamente 91°C. A
figura 40 mostra a operação do circuito de dessorção para o dia “B”.
Figura 40 – Operação do circuito de dessorção da máquina de adsorção, dia “B”
59
Com base no gráfico da figura 40 é possível afirmar que o período de operação desse
circuito é o mesmo período de produção de água fria apresentado para o dia “B”, e que a
máxima temperatura atingida pelo reservatório térmico nesse dia é aproximadamente 86°C.
Figura 41 – Operação do circuito de dessorção da máquina de adsorção, dia “C”
De acordo com o gráfico da figura 41 o período de funcionamento do circuito de
dessorção é o mesmo que o de produção de água para o dia “C”, e nesse dia a máxima
temperatura registrada no reservatório térmico é aproximadamente 87°C.
Ao analisar o comportamento do circuito de dessorção para os três dias em questão, é
possível concluir que ocorre uma redução da temperatura do reservatório no mesmo período
em que a temperatura do coletor diminui. Isso ocorre devido ao fluxo de calor do reservatório
para o processo de dessorção ser maior que o fluxo de calor existente dos coletores solares
para o reservatório, no mesmo período.
4.2 Operação do Circuito de Captação de Energia
A análise da eficiência do sistema de climatização se inicia pela captação de energia
solar, por meio dos coletores solares. As figuras a seguir apresentam a potência solar global
para 36 m² de coletores solares, nos dias analisados, e a potência térmica absorvida pela água,
que é calculada com base na vazão do circuito, medida pelo sensor “F301”, e na diferença de
60
temperaturas do fluido no ponto da entrada e de saída dos coletores, medida pelos sensores
“T101” e “T102”.
Figura 42 – Potência solar global e potência térmica dos coletores, dia “A”
A figura 42 mostra que a potência do coletor é diferente de zero nos mesmos períodos
de tempo em que a bomba desse circuito é acionada, conforme apresentado na seção anterior.
A existência de valores de potência instantânea do coletor maiores que a potência solar é
explicada pelo comportamento de acionamento da bomba desse circuito. Nesse caso a água é
aquecida nos coletores e quando atinge uma temperatura maior que a do reservatório térmico
a bomba é acionada, neste instante a energia térmica acumulada pela água nos coletores
solares é direcionada ao reservatório térmico em um pequeno intervalo de tempo, deste modo,
nesse instante de tempo a potência do coletor é maior que a potência solar, e como nessa
situação a radiação solar não é intensa o suficiente para manter o nível de temperatura do
coletor, a bomba do circuito é desligada. A figura 43 mostra o comportamento das potências
solar e do coletor para o dia “B”.
61
Figura 43 – Potência solar global e potência térmica dos coletores, dia “B”
A figura 43 apresenta as variações da potência do coletor para o dia “B” e que o seu
comportamento acompanha os mesmos períodos de funcionamento da bomba do circuito dos
coletores para esse dia. Ao contrário do dia “A” que durante o início da operação apresenta
vários picos de potência do coletor acima da potência solar, para o dia “B” essa situação
ocorre uma vez, às 09h16min, o que pode ser explicado pelo fato da radiação solar apresentar
maiores variações do que no dia “A”, o que não permite o aquecimento constante dos
coletores e consequentemente a energia térmica absorvida pelos coletores é menor. A figura
44 apresenta o comportamento das potências solar e do coletor para o dia “C”.
62
Figura 44 – Potência solar global e potência térmica dos coletores, dia “C”
A figura 44 mostra, assim como nos gráficos anteriores, que a potência dos coletores é
diferente de zero nos mesmos períodos de operação da bomba desse circuito. Com base no
gráfico dessa figura é possível observar que existem dois instantes, entre as 07h30min e às
08h00min, em que a potência do coletor é maior que a potência solar, comportamento
semelhante ao que foi apresentado nos dias “A” e “B”.
4.2.1 Eficiência dos Coletores Solares
Após analisar os gráficos para os dias selecionados, é possível calcular a quantidade de
energia solar disponibilizada ao sistema e a energia térmica absorvida pelos coletores solares
por meio da integração das potências solar e dos coletores em relação ao tempo. A análise da
energia solar é dividida em três partes distintas que são chamadas de períodos de pré-
operação, operação e pós-operação, cujo objetivo é identificar a parcela de energia solar
necessária para iniciar a operação do circuito dos coletores solares, a parcela fornecida
durante o funcionamento do circuito e a parte que não foi conduzida para o reservatório
térmico, respectivamente. O período de pré-operação (P. Pré-Op.) compreende o intervalo de
tempo que se inicia às 06h00min até o primeiro instante de acionamento da bomba do circuito
dos coletores. O período de operação (P. Op.) compreende o intervalo de tempo identificado
no acionamento da bomba do circuito dos coletores. O período de pós-operação (P. Pós-Op.)
compreende o intervalo de tempo que se inicia a partir do último desligamento da bomba do
63
circuito até às 18h00min. As parcelas de energia solar de cada um desses períodos e a energia
térmica absorvida pelos coletores são apresentadas na tabela 6.
Tabela 6 – Energia solar disponibilizada e absorvida pelos coletores
Energia Solar [kWh] Energia
Absorvida [kWh] P. Pré-Op. P. Op. P. Pós-Op. Total
Dia “A” 9,22 189,98 11,64 210,84 89,88
Dia “B” 7,30 134,04 8,82 150,16 61,49
Dia “C” 7,92 86,67 21,44 116,03 48,08
De acordo com a tabela 6 o dia “A” apresenta os maiores valores de energia solar
incidente durante o período de operação e também a maior quantidade de energia absorvida
pelos coletores solares. A figura 45 apresenta a energia solar disponível por hora para os três
dias analisados.
Figura 45 – Energia solar disponível por hora, em kWh
O gráfico da figura 45 mostra que os máximos valores de energia solar disponível são
encontrados às 11h00min, e entre os três dias analisados o que apresenta os maiores valores e
o comportamento com menos variações é o dia “A”, que também pode ser comprovado ao
comparar as curvas de radiação solar dos três dias. A figura 46 apresenta a energia solar
absorvida pelos coletores por hora para os três dias analisados.
64
Figura 46 – Energia solar absorvida pelos coletores por hora, em kWh
O gráfico da figura 46 mostra que apesar dos dias “A” e “B” apresentarem um período
de funcionamento semelhante, os valores horários de energia solar absorvida no dia “A” são
maiores que o dia “B”, enquanto o dia “C” apesar de absorver uma quantidade de energia
horária maior que os outros dias, o seu período de funcionamento é o menor de todos.
Tendo os valores obtido por meio dos gráficos da energia solar, disponível e absorvido
pelos coletores, é possível calcular o rendimento horário dos coletores por meio da equação
(5), cujo resultado é apresentado na figura 47.
Figura 47 – Rendimento horário dos coletores
65
O gráfico da figura 47 mostra que o rendimento dos coletores para os dias “B” e “C”
foram maiores que 0,6 no período das 09h00min, contudo a partir das 11h00min, ambos
foram menores que o rendimento encontrado no dia “A”.
Conforme mencionado na seção dos “Materiais e Métodos” e visualizado no gráfico
da figura 47, o rendimento é diferente de zero apenas quando existe vazão no circuito,
contudo ao observar o comportamento dos gráficos das figuras 34, 35 e 36 é possível
constatar, pela variação de temperatura do sensor “T-112”, que os coletores estão sendo
aquecidos. De acordo com o que foi descrito em seções anteriores, a estimativa do rendimento
para essas condições é feita por meio da equação (9), onde as curvas identificadas com a
variável “η1” foram determinadas com a temperatura média da água, encontrada por meio dos
sensores “T-101” e “T-102”, e as curvas com a variável “η2” foram calculadas com os valores
de temperatura de um ponto da superfície absorvedora do coletor, fornecido pelo sensor “T-
112”.
A figura 48 mostra a variação do rendimento do coletor solar para as duas condições
do dia “A”.
Figura 48 – Rendimentos estimados do coletor solar, dia “A”
Através do gráfico da figura 48 é possível observar que as maiores diferenças nos
rendimentos de ambas as curvas se encontram nos períodos do início e final do dia. A figura
49 mostra o comportamento dos dois rendimentos durante o dia “B”.
66
Figura 49 – Rendimentos estimados do coletor solar, dia “B”
Como é possível observar no gráfico da figura 49 os rendimentos do coletor solar
apresentam as maiores diferenças no período inicial do dia. A figura 50 apresenta a variação
dos dois rendimentos no dia “C”.
Figura 50 – Rendimentos estimados do coletor solar, dia “C”
O gráfico da figura 50 mostra que, assim como os demais dias, as maiores diferenças
dos rendimentos são encontradas nos períodos início e final do dia. Esse comportamento pode
ser explicado pelo fato que o sensor “T-112” por estar instalado diretamente no coletor solar,
está sujeito a maiores variações de temperaturas, ao contrário dos sensores “T-101” e “T-
102”, que estão instalados na tubulação abrigada dentro do container. Por isso no início do
67
dia a curva “η2” apresenta valores maiores que a curva “η1”, pois a temperatura do coletor
aumenta e enquanto a vazão for nula a temperatura da água nos dois pontos da tubulação
permanece constante. No final do dia o coletor tende a reduzir a sua temperatura com uma
taxa de variação maior que a água presente nos dois pontos da tubulação do circuito, por isso
os valores da curva “η1” são maiores que a curva “η2”.
A tabela 7 apresenta os rendimentos do coletor total e do período de operação com
base nos valores obtidos pela equação (5), identificado pela coluna “ηm”, e os demais
rendimentos calculados por meio da equação (9).
Tabela 7 – Rendimentos do coletor solar
Período de Operação* Tempo Total (06h00min as 18h00min)
η1 η2 ηm η1 η2 ηm
Dia “A” 0,401 0,361 0,473 0,387 0,367 0,426
Dia “B” 0,371 0,334 0,459 0,364 0,357 0,409
Dia “C” 0,357 0,312 0,555 0,333 0,338 0,414 *Variável de acordo com o dia (A, B ou C)
Os resultados da tabela 7 mostram que todos os rendimentos calculados por meio da
equação (5) são maiores que 40% e que ao considerar apenas o período de operação esses
valores aumentam, uma vez que a energia solar nesse período é menor do que o valor
encontrado durante todo o dia. Os rendimentos encontrados através da equação (9) são
menores que o rendimento obtido pela equação (5), e a diferença entre os dois métodos é
menor quando se compara os valores totais. Por fim apesar dos diferentes valores de radiação
solar de cada um dos dias analisados, os valores obtidos pela equação (5) mostram que os três
dias apresentam rendimentos totais próximos, pois a máxima diferença encontrada é de
aproximadamente 4%.
4.3 Operação da Máquina de Adsorção
Nessa seção são apresentados os resultados referentes aos processos de adsorção,
dessorção e rejeição de calor. Esses resultados são analisados de modo a relacionar a
capacidade de climatização da máquina de adsorção com a disponibilidade de radiação solar.
Com isso é possível identificar as eficiências da máquina de adsorção e do sistema de
climatização como um todo, além quantificar o fluxo de energia existente durante a operação
do sistema. Conforme explicado na seção anterior, a variação da temperatura da água após os
processos de adsorção e dessorção, dificultam a visualização do comportamento da potência
em cada um dos processos. Deste modo, os gráficos que apresentam os valores de potência e a
68
temperatura, foram desenvolvidos com base nas médias de cada uma das grandezas durante o
mesmo período tempo utilizado anteriormente, ou seja, o tempo de duração do processo de
adsorção em um leito adsortivo.
4.3.1 Dessorção
A análise da operação da máquina de climatização por adsorção terá início pelo
processo de dessorção, pois tanto a adsorção quanto a condensação ocorrem apenas quando
existe energia térmica suficiente para alimentar o processo de dessorção. Com base nisso o
gráfico da figura 51 apresenta para o dia “A” a variação da temperatura do reservatório
térmico e o comportamento da potência térmica de dessorção, que foi calculado com base na
equação (6), onde foram utilizados os valores medidos pelos sensores “T103”, “T104” e
“F302”.
Figura 51 – Potência térmica de dessorção e temperatura do reservatório térmico, dia “A”
O gráfico da figura 51 mostra a variação da potência de dessorção em função da
temperatura do reservatório térmico, nesse dia o funcionamento da máquina foi interrompido
às 16h49min, quando a água do reservatório atingiu 75°C. A figura 52 apresenta a variação da
potência térmica de dessorção e a temperatura do reservatório térmico para o dia “B”.
69
Figura 52 – Potência térmica de dessorção e temperatura do reservatório térmico, dia “B”
Com base no gráfico da figura 52 é possível visualizar o período de funcionamento da
máquina para o dia “B” é menor que o dia “A”, onde o mesmo encerra a operação às
14h56min. A figura 53 apresenta a variação da potência térmica de dessorção e a temperatura
do reservatório térmico para o dia “C”.
Figura 53 - Potência térmica de dessorção e temperatura do reservatório térmico, dia “C”
De acordo com o gráfico da figura 53 é possível observar que o dia “C” apresenta o
menor período de funcionamento, no qual é encerrado às 12h55min. Conforme apresentado
nas seções anteriores, a máquina de adsorção inicia a sua operação quando a temperatura do
70
reservatório térmico é aproximadamente 85°C e interrompe o seu funcionamento quando a
temperatura é de 75°C, como é possível observar nos gráficos apresentados. O resultado da
média horária das potências térmicas fornecidas ao processo de dessorção para os três dias é
apresentado na figura 54.
Figura 54 – Médias horárias das potências de dessorção
Por meio do gráfico da figura 54 é possível afirmar que, para os três dias, os valores
médios da potência térmica fornecida ao processo de dessorção é menor que o valor nominal
especificado pelo fabricante que é de 20 kW, consequentemente, a potência de resfriamento a
ser obtida tende a ser menor que o valor nominal.
Com base nos gráficos de variação da potência térmica de dessorção e o nos períodos
de operação de cada dia é possível calcular a quantidade de energia térmica diária fornecida
ao processo de dessorção. A tabela 8 apresenta uma comparação entre a quantidade de energia
térmica de dessorção e o que foi absorvido pelos coletores.
Tabela 8 – Comparação da energia térmica de dessorção e absorvida pelos coletores
Absorvida [kWh] Dessorção [kWh] Diferença [kWh]
Dia “A” 89,88 85,18 4,70
Dia “B” 61,49 52,27 9,22
Dia “C” 48,08 35,37 12,71
Os resultados obtidos por meio da tabela 8 permite concluir que a máquina de
adsorção não utiliza toda a energia térmica absorvida pelos coletores. Essa diferença depende
71
do valor da temperatura inicial do reservatório térmico, pois o processo de dessorção é
interrompido quando a temperatura da água é aproximadamente 75°C, ou seja, toda a energia
térmica inserida no reservatório para elevar a temperatura da água até 75°C, não é utilizada
pela máquina de adsorção.
4.3.2 Adsorção
O processo de adsorção ocorre simultaneamente à evaporação, após o leito adsortivo
passar pelos processos de dessorção e resfriamento isostérico. Portanto, após analisado o
comportamento da dessorção na operação da máquina, será avaliada a capacidade de
produção de frio por meio da adsorção. A figura 55 mostra a potência de evaporação obtida e
as temperaturas da água fria (T106) e da água que retorna dos quartos (T105), para o dia “A”.
Figura 55 – Potência de evaporação e temperaturas da água na entrada e saída do evaporador, dia “A”
De acordo com o gráfico da figura 55 é possível constatar que no dia “A”, a
temperatura média da água fria produzida foi aproximadamente 21,7°C, enquanto no mesmo
período a temperatura da água que retorna dos quartos foi aproximadamente de 23,2°C, uma
redução de aproximadamente 1,5°C. A figura 56 apresenta o comportamento do circuito de
evaporação para o dia “B”.
72
Figura 56 – Potência de evaporação e temperaturas da água na entrada e saída do evaporador, dia “B”
Através do gráfico da figura 56 permite visualizar que no dia “B”, a temperatura
média da água fria produzida foi de aproximadamente 22,1°C, e durante o mesmo período a
temperatura da água que retorna dos quartos foi aproximadamente 23,3°C, nesse dia a
redução na temperatura da água foi aproximadamente 1,2°C. A figura 57 mostra o
comportamento do circuito de evaporação para o dia “C”.
Figura 57 – Potência de evaporação e temperaturas da água na entrada e saída do evaporador, dia “C”
73
Com base no gráfico da figura 57 é possível observar que no dia “C”, a temperatura
média da água fria produzida foi de aproximadamente 20,8°C, e durante o mesmo período a
temperatura da água que retorna dos quartos foi aproximadamente 22°C, uma redução de
aproximadamente 1,2°C. Os resultados das médias horárias da potência de evaporação para os
três são apresentados na figura 58.
Figura 58 – Médias horárias das potências de evaporação
De acordo com as médias horárias das potências de evaporação apresentadas no
gráfico da figura 58 é possível concluir que nenhum dos três dias analisados atingiu a potência
nominal de climatização informada pelo fabricante, que é 10 kW. Isso pode ser explicado pelo
fato de que em nenhum dos três dias foi fornecida a potência nominal de dessorção, no valor
de 20 kW. Além disso, ao comparar esses valores de potência de evaporação com as
informações da figura 28 é possível observar que os mesmos estão entre 2 e 4 kW, o que
corresponde ao trecho cuja temperatura de dessorção está entre 75 e 85°C, com temperatura
de condensação igual a 41°C e temperatura da água fria de 15 a 18°C.
O cálculo da energia térmica total que foi retirada das paredes dos quartos é
desenvolvido com base nos valores das potências de evaporação e no período de operação de
cada um dos dias analisados, esses resultados são apresentados na tabela 9.
Tabela 9 – Energia de evaporação e redução média da temperatura da água
Evaporação [kWh] ΔT [°C]
Dia “A” 24,32 1,5
Dia “B” 13,32 1,2
Dia “C” 8,91 1,2
74
Os resultados da tabela 9 mostram que, para os dias analisados, a produção de frio foi
proporcional a quantidade de energia térmica fornecida à máquina, assim como a redução na
temperatura da água fria produzida.
Nos gráficos anteriores que apresentam o comportamento do circuito de evaporação é
possível visualizar que a temperatura da água fria é muito próxima da temperatura da água
que retorna dos quartos até o momento em que o processo de adsorção é iniciado. Conforme
citado anteriormente, o comportamento da temperatura da água fria apresenta variações
durante todo o período de funcionamento. A figura 59 apresenta em um intervalo de tempo
reduzido e com escala ampliada as variações das temperaturas medidas nos circuitos de
dessorção e evaporação, cujos valores foram obtidos por meio dos sensores “T103” e “T104”,
“T105” e “T106”, respectivamente, a partir dos dados de operação do dia “A”. A supressão de
alguns valores e as diferenças de escala do eixo da temperatura foi realizada com objetivo de
visualizar com mais detalhes as variações das temperaturas de ambos os processos ao mesmo
tempo, pois se ambas as temperaturas fossem apresentadas com a mesma escala isto não seria
possível uma vez que a variação da temperatura no circuito de dessorção é muito maior que a
da temperatura no circuito de evaporação.
Figura 59 – Temperaturas de adsorção e dessorção
Através da figura 59 é possível visualizar as variações das temperaturas da água nos
pontos de saída do evaporador (T106) e do leito adsortivo (T104) que está no processo de
dessorção. A adsorção é iniciada quando o leito adsortivo apresenta uma baixa concentração
de refrigerante. Deste modo, ao conectar esse leito ao evaporador, a taxa de adsorção do vapor
diminui conforme aumenta a concentração de refrigerante no adsorvente e,
75
consequentemente, a temperatura da água fria aumenta, pois o vapor produzido não está sendo
adsorvido na mesma proporção anterior o que faz a temperatura do evaporador aumentar.
Com base no gráfico da figura 59, esta temperatura apresenta uma variação de
aproximadamente 2,2°C, com o mínimo de 20,4°C e máximo de 22,6°C.
O processo de dessorção começa depois de decorrido um tempo de aproximadamente
3 minutos, após o início da adsorção, o que torna necessária a inserção de energia térmica
para reduzir a concentração de refrigerante no adsorvente. Quando a taxa de variação da
temperatura medida pelo sensor “T104”, se aproxima de zero, significa que o leito adsortivo
se encontra com a menor concentração de refrigerante possível dentro daquele nível de
temperatura da fonte térmica, medido pelo sensor “T103”, sendo essa a condição necessária
para que este leito esteja apto ao processo de adsorção novamente. De acordo a com o gráfico
da figura 59, a temperatura desse processo tem uma amplitude de aproximadamente 24°C,
com o mínimo de 65°C e máximo de 89°C.
Ao avaliar essas duas situações é possível identificar que a energia térmica inserida no
processo de dessorção é muito maior do que e o calor retirado pela adsorção, tendo em vista
que a quantidade de material adsorvente em ambos os leitos é a mesma. Com base nisso é
possível perceber que o COP do processo de adsorção é bem menor que a unidade.
4.3.3 Rejeição de Calor
A rejeição de calor é a etapa final do ciclo de operação do sistema de climatização,
sendo responsável por rejeitar o calor adquirido nos processos de evaporação, proveniente dos
ambientes climatizados, e dessorção, adquirido da fonte térmica que promove esse processo.
Além disso, a temperatura da água que retorna do radiador influencia diretamente no nível de
eficiência do sistema como um todo. Deste modo são apresentados a seguir os gráficos que
relacionam a temperatura de retorno da água e a potência de rejeição de calor, calculada por
meio da equação (6).
76
Figura 60 – Potência de rejeição de calor e temperatura de retorno da água, dia “A”
O gráfico da figura 60 apresenta a variação da potência de rejeição de calor e a
temperatura da água que retorna para o chiller, para o dia “A”, e nesse a temperatura média de
retorno da água foi de aproximadamente 32°C. A seguir é apresentada a figura 61 com os
dados do circuito de rejeição de calor para o dia “B”.
Figura 61 – Potência de rejeição de calor e temperatura de retorno da água, dia “B”
77
De acordo com os dados apresentados no gráfico da figura 61, a temperatura média de
retorno da água para o chiller, para o dia “B”, foi de aproximadamente 31°C. A figura 62
mostra o comportamento do circuito de rejeição de calor para o dia “C”.
Figura 62 – Potência de rejeição de calor e temperatura de retorno da água, dia “C”
O gráfico da figura 62 mostra que no dia “C”, a temperatura média do retorno da água
que retorna para o chiller foi de aproximadamente 30°C. Com base nos dados de potência de
condensação e nos períodos de operação dos circuitos, é apresentada na tabela 10 a energia
térmica rejeitada para o ambiente externo para todos os dias analisados.
Tabela 10 – Energia térmica rejeitada e temperatura média da água de retorno
Energia [kWh] Temperatura [°C]
Dia “A” 99,16 32
Dia “B” 58,53 31
Dia “C” 38,64 30
De acordo com os resultados apresentados na tabela 10 é possível afirmar que a
quantidade de energia rejeitada é diretamente proporcional às energias inseridas no processo
de dessorção e retiradas do ambiente na etapa de adsorção. A temperatura média de retorno da
água para o chiller depende diretamente da temperatura do ambiente externo, nesse caso a
menor temperatura é obtida no dia “C”.
De acordo com os dados fornecidos pelo fabricante através do gráfico da figura 27 é
possível afirmar que a temperatura média de retorno da água para o chiller está acima do
78
valor estimado para que a máquina opere em condições nominais, nesse caso a temperatura
nominal é 27°C. Isso significa que nas atuais condições de temperatura, a máquina tem o seu
rendimento nominal comprometido, para tanto é necessário que ocorra uma redução na
temperatura média de retorno da água, ou seja, aumentando a rejeição de calor para o meio
externo.
4.4 Eficiência do Sistema de Climatização
A eficiência do sistema de climatização é quantificada de duas formas diferentes, a
primeira considerando apenas o funcionamento da máquina de adsorção e a segunda leva em
conta também a eficiência do sistema de captação de energia. Em ambas as situações são
usadas para a determinação dessa eficiência os valores de energia diária consumida em cada
um dos processos do sistema.
O COP da máquina de adsorção é calculado por meio da equação (3), que leva
consideração à capacidade de climatização do sistema e a quantidade de energia fornecida ao
processo de dessorção. Com base nos valores das médias horárias das potências de
evaporação e dessorção que foram quantificados nas seções anteriores, encontra-se o COP
médio horário da máquina de adsorção, que apresentado na figura 63.
Figura 63 – COP horário da máquina de adsorção
Os dados de operação da figura 63 apontam que o dia “A” tem os maiores valores de
COP horário, entre os dias analisados, entretanto ainda está abaixo do valor nominal fornecido
79
pelo fabricante, que é de 0,50. Os motivos pelos quais a máquina não atingiu o ponto nominal
de operação estão relacionados diretamente a quantidade de energia térmica fornecida ao
processo de dessorção e também à temperatura de retorno da água no processo de
condensação. Em ambas as características, os dados de operação apontam que não foi
fornecida energia térmica necessária para atingir a capacidade nominal e que a temperatura de
retorno da água de condensação está acima da temperatura nominal indicada pelo fabricante.
Comparando os valores obtidos de COP horário, com as retas de operação fornecidas
pelo fabricante por meio da figura 27, é possível observar que os mesmos estão mais
próximos da reta cuja temperatura de retorno da água de condensação é 41°C, a temperatura
da água fria está entre 15 e 18°C e com temperatura de dessorção entre 75 e 85°C.
Para quantificar a eficiência do sistema com um todo, incluindo o circuito de captação
de energia, será utilizada a equação (4) que relaciona a capacidade de climatização com a
energia solar disponibilizada ao sistema e fornece o COP solar, que é comparado com o COP
da diária da máquina por meio da tabela 11.
Tabela 11 – Valores diários de COP solar e da máquina
COP solar COP
Dia “A” 0,115 0,285
Dia “B” 0,089 0,255
Dia “C” 0,077 0,252
Os valores diários apresentados na tabela 11 apontam que o COP solar é
significativamente menor que o COP da máquina. Isso ocorre porque o COP solar considera a
eficiência do coletor solar, que nesse caso é menor que 0,5, portanto o COP solar será menor
que o COP da máquina. Uma das alternativas existentes para aumentar o COP solar é
melhorar a eficiência dos coletores, aplicando um sistema de rastreamento solar ou
substituindo por coletores do tipo tubo evacuado, entretanto ambas as soluções implicam em
maiores custos. A outra é aumentar o COP da própria máquina, aumentando a rejeição de
calor para o meio externo ou inserindo uma nova fonte de energia térmica, nesse caso a
máquina se aproximaria das condições de operação nominal.
4.5 Fluxo de Energia
O princípio básico de funcionamento do ciclo de refrigeração por adsorção consiste na
inserção de energia térmica no leito adsortivo para reduzir a concentração de refrigerante e
80
posteriormente este calor inserido deve ser rejeitado para o ambiente externo. Para o sistema
de climatização em análise nessa dissertação, a energia térmica fornecida para o
funcionamento deste ciclo é proveniente de um reservatório térmico alimentado por coletores
solares. Essa seção é destinada a equacionar as quantidades de energia obtidas em cada uma
das etapas do sistema e identificar com maior clareza as condições de operação de cada um
dos processos.
Com base na figura 16, as quantidades de energia térmica diária fornecida em cada
parte do sistema foram quantificadas nas seções anteriores, e a tabela 12 apresenta um resumo
da operação de todo o sistema de climatização.
Tabela 12 – Fluxo de energia do sistema de climatização, em kWh
① ② ③ ④ ⑤
Dia “A” 210,84 89,88 85,18 24,32 99,16
Dia “B” 150,16 61,49 52,27 13,32 58,53
Dia “C” 116,03 48,08 35,37 8,91 38,64
Ao analisar os resultados da tabela 12 é possível observar que a intensidade da
radiação solar influencia diretamente nas características de operação do sistema, pois para os
dias analisado, a produção de frio aumentou com a radiação solar. Contudo, para os dias
analisados, a eficiência dos coletores solares e da máquina de adsorção não foi diretamente
proporcional à radiação solar incidente.
Com relação ao fornecimento de energia térmica à máquina é possível afirmar que em
nenhum dos três analisados foi utilizada toda a energia térmica absorvida pelos coletores
solares. Conforme foi explicado em seções anteriores, essa diferença nos valores de energia
térmica ocorre devido a temperatura inicial do reservatório térmico, pois a máquina
interrompe o processo de dessorção quando a temperatura do reservatório é aproximadamente
75°C, ou seja, toda a energia térmica fornecida ao reservatório térmico para elevar a
temperatura até esse nível, não é utilizada pela máquina.
A rejeição da energia térmica adquirida pela máquina nas etapas de adsorção e
dessorção é feita pelo circuito de rejeição de calor, e por meio dos resultados apresentados na
tabela 12 é possível observar que, para todos os dias analisados, a energia rejeitada por esse
circuito é menor que o esperado. Tendo como referência a soma das energias térmicas nos
pontos 3 e 4 da figura 16, a diferença percentual entre essa somatória e a energia rejeitada foi
9,44% no dia “A”, 10,76% no dia “B” e 12,74% no dia “C”, sendo que essas parcelas ficaram
retidas nas tubulações e nos leitos adsortivos. Ao analisar o princípio de funcionamento do
81
circuito de condensação fica evidente que não é possível rejeitar 100% da energia térmica
adquirida no processo para o ambiente externo, entretanto conforme citado em seções
anteriores, a eficiência dessa etapa influencia diretamente na capacidade de produção de frio
da máquina. Deste modo, é desejável que para uma melhor eficiência do sistema de
climatização, a diferença percentual encontrada nesses dias seja reduzida ao máximo possível.
82
5 CONCLUSÕES
A presente dissertação apresentou o princípio de operação do sistema de climatização
por adsorção e o desempenho dos circuitos individuais que compõem o sistema, além de
quantificar a energia solar total fornecida, a eficiência dos coletores solares, da máquina de
adsorção e do sistema como um todo.
A análise dos dados de desempenho obtida permite afirmar que a máquina de adsorção
não opera nas características nominais estabelecidas pelo fabricante. Isso se deve,
principalmente, ao fato da potência térmica fornecida ao sistema ser menor do que o valor
nominal especificado pelo fabricante. Contudo, é necessário ressaltar que o projeto original da
máquina considerou o uso de rejeitos térmicos, que não é o caso em tela. Nesse estudo, a
alimentação é exclusivamente com energia solar, fato que ocasiona muitas variações no
fornecimento de energia térmica, decorrente das variações climáticas inerentes à sazonalidade
diária. Uma das opções que pode ser adotada para aumentar a energia térmica fornecida à
máquina seria adicionar uma fonte de calor, que possa fornecer potência suficiente para
atingir as condições nominais de operação estabelecidas. A outra possibilidade seria aumentar
a área dos coletores solares ou substituir os atuais coletores por outros mais eficientes, como
por exemplo, o tipo tubo evacuado que é capaz de atingir temperaturas maiores do que as
atuais, do tipo placa plana.
O valor do COP da máquina também é influenciado diretamente pela temperatura da
água que retorna do radiador. Essa temperatura, que de acordo com os dados do fabricante,
deve ser igual a 27°C para alcançar as condições nominais de desempenho. Os dados de
operação da máquina mostram que essa temperatura, para os três dias analisados, foi maior
que o valor especificado pelo fabricante, operando próxima a curva em que a temperatura
retorno da água é de 41°C, quando a temperatura da fonte quente está entre 75°C e 85°C.
Outra alternativa para aumentar a eficiência da máquina seria reduzir essa temperatura, até
atingir 27°C, que pode ser obtida ao borrifar água no radiador com uma temperatura menor,
adicionalmente ao aumento da potência térmica fornecida ao processo de dessorção. Desta
forma, as condições de operação se aproximariam das características nominais designadas
pelo fabricante.
A possibilidade da aplicação de energia solar para a climatização de ambientes é uma
alternativa interessante do ponto de vista do aproveitamento da radiação solar e consequente
redução no consumo de recursos naturais não renováveis. Além disto, evidentemente, é
83
recomendável que a sua utilização seja no sentido de complementar uma fonte térmica
principal, com comportamento constante. Desta forma, o fato de que a incidência solar ser
apenas no período diurno, as variações climáticas ao longo do ano não impediria que a
máquina desenvolvesse a sua capacidade nominal de climatização.
Por último, é importante registrar que na época atual, em que a preservação da
natureza, a sustentabilidade do planeta, a redução do uso de fontes tradicionais, notadamente
as fósseis, está na ordem do dia, a alternativa do uso de energias renováveis é altamente
atraente. Nessa perspectiva, os desenvolvimentos tecnológicos e os conhecimentos de
processos como o apresentado nesse trabalho, se mostram como promissores para que num
futuro próximo, o mundo possa lançar mão de tecnologias economicamente viáveis no mais
amplo sentido da palavra, ou seja, considerando todos os aspectos que devem ser avaliados
para um desenvolvimento pleno da sociedade.
84
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87
7 ANEXOS
7.1 Anexo A
Informações Técnicas da Máquina de Adsorção
Circuito de
Refrigeração
Circuito de
Condensação
Circuito de
Dessorção
COP - 0,50
Desempenho kW 10 30 20
Faixa de Temperatura °C 6-25 20-41 55-100
Temperatura de Saída do
Sistema de Refrigeração
°C 18 27 85
Vazão l/h 2900 4500 2200
Perda de Pressão mbar 240 500 230
Máxima Pressão bar 4
Conexões G 1 ¼” AG G 1 ½” AG G 1” AG
Energia Elétrica 230 V; 50 Hz
Entrada W 20
Dimensões
Altura mm 1650
Comprimento mm 1300
Largura mm 650
Peso Líquido kg 370 Fonte: Traduzido de INVENSOR (2010)
![[Apostila] Sistemas de Condicionamento de Ar](https://img.document.onl/doc/110x75/577ce4f31a28abf1038f78c0/apostila-sistemas-de-condicionamento-de-ar.jpg)
