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Seminário:
DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE REFRIGERADORES DE ABSORÇÃO E
TROCADORES DE CALOR PARA GASES DE EXAUSTÃO – DORAGEX
Projeto CNPq 520120/2005-1
Emerson Dilay, Msc.
Orientador: Prof. José Viriato Coelho Vargas, PhD
2010
Apresentação
Objetivo;Introdução;Materiais e Métodos;Resultados;Discussão;Agradecimentos;Referências;
Objetivo
Construção de um protótipo elementar de máquina de refrigeração por absorção utilizando o par NH3-H2O;
A fonte de energia para funcionamento da máquina pode ser um combustível ou uma outra fonte de calor residual qualquer;
Capacidade de 1 TR; Caracterização o ciclo de funcionamento;
Inovações
Característica Máquinas Comerciais
Protótipo
Capacidade 3-25 TR (10-90kW) sendo que alguns fabricantes (York) fabricam apenas
maiores de 100TR
1 TR (3,5 kW)
Alimentação Combustível ou calor residual
Combustível ou Calor Residual podendo ser
simultâneos
Origem Importado Totalmente nacional
IntroduçãoCiclo de Refrigeração por Absorção;Início do Século XX;Funcionamento com carvão, lenha ou gás;Desenvolvimento de máquinas elétricas;Desempenho COP Absorção x COP
Compressão;Interesse recente;
Introdução
Figura 1 – Ciclo de refrigeração representado no diagrama Pressão x Entalpia
Introdução
Absorvente Refrigerante
Água Amônia
Brometo de Lítio Água
Cloreto de Lítio Metanol
Ácido Sulfúrico Água
Fonte: Pohlman (1979); Sresnewsky (1983); Abreu(1999)
Introdução
Figura 2 – Representação esquemática do ciclo básico
Introdução
Figura 3 – Detalhe de funcionamento do Absorvedor
OHNHOHNH 423
Calor
Introdução
Figura 5 – Conjunto gerador e retificador
OHNHOHNH 234
Calor
Introdução
Figura 4 – Diagrama concentração x temperatura
Introdução
Figura 6 – Diagrama Pressão x Temperatura x Concentração para água/amônia – Em vermelho o ciclo absorção/desabsorção
Materiais e Métodos
Figura 7- (a) bomba de captação de água de resfriamento de condensador, absorvedor e retificador de uma cisterna de 50m3; (b) sistema de água com 25% de etileno-glicol para carga térmica de evaporador
Materiais e Métodos
Figura 8 – Esquema do máquina de refrigeração construída no LMH/UFPR
Materiais e MétodosEES - Engineering Equation Solver;Dimensionamento Simplificado;Avaliação dos fluxos de energia e massa;Pressão de Baixa = 4 bar -2C;Pressão de Alta = 16 bar 41 C;Fluxo de Amônia ~0,01 kg/s;Fluxo de Solução na Bomba ~ 0,1 - 0,2 kg/sEnergia alimentando o Gerador ~ 37 kW COP=(Calor Transferido)/(Energia Utilizada)
Materiais e Métodos
Figura 9 (a) – Influência da temperatura do gerador no coeficiente de performance (COP)
Materiais e Métodos
Figura 9 (b) - Influência da temperatura do gerador na potência térmica absorvida no gerador
Materiais e Métodos
Figura 10 – (a) Influência da temperatura do gerador na vazão mássica da bomba
Materiais e Métodos
Figura 10 – (b) Influência da temperatura do gerador na potência da bomba
Materiais e MétodosDimensionamento do Gerador / RetificadorVazões / Trocas Térmicas / Pressões / Temperaturas
sosoaoaosisig hmhmhmQ
mTUAQ
Figura 11 – Vista do Gerador / Retificador
Materiais e Métodos
h (j/g)m
(kg/sec) P (kPa) Quality T (C ) x (kg/kg)
evap in -52,2 0,141 261,2 0,011 -12,3 0,99
evap out 1142 0,141 261,2 0,915 -10 0,99
cond in 1410 0,141 1540 1 76,5 0,99
cond out 184,1 0,141 1540 0 40 0,99
pump in -46,1 1 261,2 0 40 0,381
pump out -43,1 1 1540 n/a 40,4 0,381
ret h2o in -43,1 1 1540 n/a 40,4 0,381
Exemplo de cálculo dos estados dos fluídos
Materiais e Métodos
Figura 12 – Trocador de calor regenerador para aproveitamento de gases quentes
Materiais e Métodos
Figura 13 – Exemplo de tabela de seleção de trocadores de calor da empresa Apema
mTUAQ
Materiais e MétodosÁreas dos Trocadores de Calor
Equipamento Área Calculada/Estimada
Gerador - Aletas 30 Aletas 300mm Diâmetro
Condensador 1,5 m2
Evaporador 3,0 m2
Absorvedor 1,4 m2
Retificador 0,3 m2
Regenerador 1,5 m2
Materiais e Métodos
Figura 14- Vista do projeto do absorvedor
Dimensionamento do Gerador / Retificador
Vazões / Trocas Térmicas / Pressões / Temperaturas
sosoaiaiwiwia hmhmhmQ
mTUAQ
Materiais e Métodos
Figura 15 (a) – Bomba de solução NH3 – H2O com pressão de 20 bar
Figura 15 (b) – Conversor de Frequencia da Bomba para ajuste de vazão
Materiais e Métodos
Materiais e Métodos
Figura 16 – (a) Válvula de expansão de NH3 com gelo durante o funcionamento e (b) válvula redutora de pressão de solução NH3-H2O
Materiais e MétodosCálculo do Volume de Solução e do Tanque de Acumulação
Materiais e Métodos
Dimensionamento dos vasos de pressão;Tubulações Schedule 40 e 80;Soldagem MIG;Teste de Pressão 1,5 x Pressão de Trabalho
(N2)
Resultados
Figura 17 – Vista do primeiro protótipo funcional construído
Resultados
Figura 18 – Saída de vapor de NH3 do evaporador
Resultados
Figura 19 – Bomba de circulação e tubulações de fluido resfriado
Discussão
Figura 20 – Tela do aplicativo LabView que caracteriza o sistema de absorção
Discussão
Capacidade Obtida
8,165 kW = 2,322 TR
saída,águaentrada,águaáguaáguaevaporador TTcmQ
Discussão
Maiores Desafios
Manter o fluxo de solução constante;Manter o nível de solução no gerador estável;Evitar inundação do absorvedor durante o start-up;Problemas de estanqueidade;Problemas com soldagem de peças de materiais diferentes;Obter bomba com baixa vazão e alta pressão;
Agradecimentos
À Nilko Metalúrgica Ltda pelo apoio técnico e financeiro;
À Finep/CNPq pelo apoio financeiro;Ao Professor Dr. José Viriato Coelho Vargas,
coordenador deste projeto;Ao Engenheiro Ericson Dilay, Msc. pelo apoio na
construção do protótipo;
Referências ABREU, A. F., Sistema de refrigeração por absorção intermitente: concepção, dimensionamento,
construção, ensaio e considerações econômicas, Tese de Doutorado apresentada ao Programa Interunidades de Pós-graduação em Energia - PIPGE/USP, São Paulo, SP, 1999.
BEJAN, A., Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York, 1994.
HEROLD, K. E., RADERMACHER, R., KLEIN, S. A., Absorption Chillers and Heat Pumps, 1ª Edição,
Boca Raton, CRC Press, Inc, 1996.
DORGAN, C. B., LEIGHT, S. P., DORGAN, C. E., Application Guide for Absorption
Cooling/Refrigeration Using Recovered Heat, American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers (ASHRAE), 1995.
HOLMAN, J. P., Transferência de Calor, McGraw-Hill, São Paulo, 1987.
LabVIEW 8.5, User Manual, National IntrumentsTM, LabVIEW Help, August, 370234G-01, 2007.
POHLMAN, W., Manual de técnica frigorífica, Ed. Omega, Barcelona, 1979.
SRESNEWSKY, S. F. G. B., Estudo de ciclos de refrigeração por absorção quanto a sua aplicação e
fonte energética, Escola Politécnica/USP, São Paulo, SP, 1983.