COP - IPSE

Universidade Federal da Paraíba
Laboratório de Energia Solar - LES
Laboratório de Sistemas de Refrigeração por Adsorção
LABRADS
UFPB
João Pessoa – Paraíba, BRASIL
Refrigeración y Acondicionamiento de Aire
Basados en Adsorción y Energía Solar
Antonio Pralon Ferreira Leite
[email protected]
Rodrigo Ronelli Duarte de Andrade*
Moacir Martins Machado*
Douglas Bressan Riffel*
João Martins dos Reis Neto*
Anselmo Oliveira Carvalho*
* Aluno Doutorado PPGEM/UFPB
Francisco Antonio Belo (Prof. DTM/UFPB)
Francis Meunier (Laboratoire du Froid – CNAM, Paris, França)
II SIMPOSIO INTERNACIONAL
ENERGÍA Y FRONTERA TECNOLÓGICA EN EL SECTOR RURAL
Medellín, 24 - 27 de Julio de 2005
LES
TECNOLOGIA E SOCIEDADE
Refrigeração e Ar Condicionado (R & AC) são tecnologias
que tem contribuído com o desenvolvimento sócio-econômico de
grande parte da humanidade, uma vez que propiciam a
conservação de produtos perecíveis, de medicamentos e vacinas,
além de possibilitar a realização de atividades humanas em
condições de conforto.
Tem grande impacto na matriz energética de um país,
principalmente em relação ao consumo de energia elétrica,
fazendo-se necessário estabelecer estratégias de economia e uso
eficiente da energia para garantir a sustentabilidade dessa
tecnologia.
02/82
IMPACTO DOS SISTEMAS DE R & AC NO
CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA BRASIL
De acordo com o PROCEL (2003), nos supermercados o consumo
de energia em sistemas de R & AC correspondem a 75% do total.
Dados da ABRAVA (2003) indicam que o consumo em instalações
e equipamentos de AC, na indústria têxtil e em edifícios
comerciais, representa 40% da eletricidade total consumida.
Estudo da CEMIG (2002) revela que o consumo elétrico requerido
por aparelhos de AC em hotéis chega a 23% do total.
03/82
“CADEIA DO FRIO” NOS PAISES EM
DESENVOLVIMENTO
•
•
•
•
•
•
•
Tecnologias obsoletas;
Alto consumo de energia;
Transporte frigorífico ineficiente
e inadequado;
Volume de armazenagem
inadequado e escasso;
Deficiências técnicas no projeto
e na operação dos equipamentos;
Capacitação técnica e profissional
inadequada;
Falta absoluta de acondicionamento
de produtos agrícolas e pesqueiros
em zonas isoladas.
04/82
AVANÇOS TECNOLÓGICOS EM
PAISES DESENVOLVIDOS
Nos Estados Unidos, de 1960 a 1990, houve um aumento médio
de 30% na eficiência dos equipamentos de refrigeração.
Atualmente, são 15% mais eficientes que em 1990.
Em instalações e equipamentos de AC, nos últimos 30 anos a
potência consumida diminuiu 42%, com um aumento da eficiência
de 20% e um uma redução de 10 milhões de ton. nas emissões
de CO2.
Na Europa, entre 1992 e 1995, houve um aumento médio de 15%
na eficiência dos sistemas de refrigeração.
05/82
EFEITO FRIGORÍFICO
• Fenômeno endotérmico, onde a fonte de
calor é o produto ou o espaço a refrigerar;
• Há uma grande variedade de métodos para
obter efeito frigorífico;
• A maior parte dos métodos baseia-se na
transferência de calor para um fluido, a qual
provoca uma mudança de seu estado
termodinâmico a baixas temperaturas.
06/82
MÉTODOS PARA OBTENÇÃO DE
EFEITO FRIGORÍFICO
•
•
•
•
•
Dissolução de solutos em solventes;
Fusão;
Vaporização;
Sublimação;
Expansão de um gás previamente
comprimido;
• Efeito termoelétrico (Peltier);
• Desmagnetização adiabática;
• Efeito termoacústico.
07/82
OBTENÇÃO DE EFEITO FRIGORÍFICO
POR EVAPORAÇÃO DE UM FLUIDO
• A maioria das máquinas frigoríficas e de AC,
para aplicações industriais, comerciais e
domésticas, com base na evaporação de um
fluido refrigerante ou fluido de trabalho.
• As tecnologias que utilizam este princípio são:
- compressão (ciclos Rankine, Stirling)
- ejeto-compressão
- sorção
08/82
Esquema de funcionamento:
refrigeração por compressão mecânica de vapor
QC
Linha de saturação
Condensação
TC
Compressão
Compressor
Expansão
Válvula de
expansão
Motor elétrico
TE
Evaporação
T
S
QE
Diagrama Temperatura - Entropia
09/82
Circuito frio
Circuito quente
Evaporador
Ejetor
QG
Gerador
Esquema de funcionamento:
refrigeração por ejeto-compressão de vapor
QE
Bomba
Condensador
Válvula
de expansão
QC
10/82
CICLOS DE REFRIGERAÇÃO POR SORÇÃO
• Similaridade com o ciclo de compressão de
vapor:
– Processos análogos de condensação, expansão e
evaporação de uma substância pura usada como
fluido de trabalho.
• Principal diferença:
– A movimentação do fluido de trabalho não é
decorrente de compressão mecânica, e sim de
interações fisico-químicas entre diferentes fases.
11/82
CICLOS DE REFRIGERAÇÃO POR SORÇÃO
SORÇÃO
ABsorção
líquido-gás
ADsorção
sólido-gás
(reação química)
sólido-gás
(s/ reação)
hidretos metálicos
Os diferentes ciclos utilizam essencialmente energia térmica:
- Calor de combustão
- Vapor de processo
- Rejeitos térmicos
- Energia solar
12/82
PROCESSOS DE SORÇÃO
•
ABsorção. O vapor de um fluido é absorvido por:
- uma solução com a qual tem grande afinidade (líquido-gás);
- um sólido com o qual ele reage quimicamente, formando um
novo produto (sólido-gás).
•
ADsorção. Um fluido em fase gasosa é absorvido por:
- um material microporoso, sem formação de um novo produto;
- dois metais que são “hidrogenados” em duas etapas de um
mesmo ciclo termodinâmico (neste caso o fluido é o H2).
13/82
REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO LÍQUIDA
Absorvedor
Gerador
Bomba
QG
QA
Válvula
QE
Evaporador
Condensador
QC
Válvula
14/82
REFRIGERAÇÃO TERMOQUÍMICA
Gás
Separação
Condensador
QGE
TGE
PGE
Sal + Gás
QC
Zona de
regeneração
Válvula de
expansão
QRE
TRE
PRE
Sal + Gás
Zona de
reação
Evaporador
QE
Absorção
Gás
15/82
REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO
Gás
Dessorção
Condensador
QDE
TDE
PDE
Adsorvente +
fase adsorvida
QC
Zona de
regeneração
Válvula de
expansão
QAD
TAD
PAD
Adsorvente +
fase adsorvida
Zona de
adsorção
Evaporador
QE
Adsorção
Gás
16/82
PARÂMETRO DE EFICIÊNCIA
• A eficiência de um ciclo de refrigeração é dada
pelo Coeficiente de Performance (COP),
definido por:
Efeito Frigorífico
COP =
Energia Consumida
Nos ciclos de compressão: COP =
Nos ciclos de sorção:
COP =
QE
WC
QE
QG
17/82
PARÂMETRO DE EFICIÊNCIA
• Para sistemas de sorção, é usual uma
expressão do COP que leva em conta a
eficiência das trocas de calor no regenerador:
COPi
COP =
1− r
COPi=
rsol ≈ 0,40 → 0,75
rliq ≈ 0,75 → 0,85
Efeito Frigorífico
Variaçãode Entalpiade Sorção+ InérciaTérmicados Materiais
Da experiência:
0,2 < COPi < 0,5
18/82
REFRIGERAÇÃO E MEIO AMBIENTE
• Aspectos globais a considerar:
- Liberação de fluidos na atmosfera
(contribuição a OD & GW);
- Emissão de CO2 pelo consumo de
energia primária (GW).
• OD – Ozone Depletion
• GW – Global Warming
19/82
FLUIDOS DE TRABALHO USUAIS
•
•
•
CFCs – clorofluorcarbonetos (R-11, R-12): altamente nocivos à OD
HCFCs – hidroclorofluorcarbonetos (R-22, R-141b): leve impacto
na OD, mas contribui para o GW
HFCs – hidrofluorcarbonetos (R-134a, R-404A): zero impacto na
OD e menos agressivos quanto ao GW
2020
Gás de
Efeito Estufa
W/m2
%
CO2
2,62
70,1
CH4
0,62
16,6
N 2O
0,23
6,1
CFC + HCFC + HFC
0,27
7,2
Total
3,74
100,0
FONTE: Cenário IS92a do Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)
20/82
O QUE DIZEM OS PROTOCOLOS ?
• Montreal (1988): CFCs banidos; HCFCs
deverão ser extintos entre 2010 e 2014.
• Quioto (1997): restrições aos HFCs
• No ranking mundial de paises emissores
de gases de efeito estufa, Brasil é 6o.
21/82
PRINCIPAIS ALTERNATIVAS AOS
FLUIDOS FLUORADOS
• Fluidos naturais: NH3, CO2, H2O
• Hidrocarbonetos: Butano, Propano
• Sistemas de sorção:
- Absorção (LiBr-H2O, NH3-H20)
- Reação química (sais de amônia)
- Adsorção (H20, NH3, CH3OH)
22/82
ELETRICIDADE
Produção de
Efeito Frigorífico
Conversão
Termoelétrica
η = 1/3
ENERGIA PRIMÁRIA:
CALOR
SISTEMAS DE
SORÇÃO
COP = 3
Eficiência
Global: 1
REFRIGERAÇÃO
POR COMPRESSÃO
para ser competitivos
COP > 1
23/82
SISTEMAS DE SORÇÃO POR
ABSORÇÃO LÍQUIDA
PRINCIPAIS PARES E RESPECTIVAS APLICAÇÕES
• Ar condicionado:
- Brometo de lítio-água
- Cloreto de lítio-água
• Câmaras frigoríficas e máquinas de gelo:
- Amônia-água
24/82
DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
CICLO INTERMITENTE
Condensador
Retificador
Evaporador
Gerador/Absorvedor
25/82
DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
CICLO CONTÍNUO DE SIMPLES EFEITO
QG
QC
QE
FONTE: http://myspace.eng.br/eng/refrig/refrig1.asp
QA
26/82
DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
CICLO COMBINADO COM EJETOR
FONTE: A. Sözen & M. Özalp, 2005
27/82
OUTROS CICLOS DE ABSORÇÃO LÍQUIDA
•
•
•
•
•
•
•
•
Ciclo continuo em sistema aberto
Ciclo com fluxo por difusão
Ciclo contínuo com ressorção
Ciclo contínuo de duas etapas
Ciclo de múltiplos efeitos
Ciclo com GAX
Ciclo de efeito médio
Ciclo dual (BrLi-H20/NH3-H20)
28/82
DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO TERMOQUÍMICA
•
Sais mais comumente empregados
- Cloreto de Cálcio
- Cloreto de Manganésio
- Cloreto de Bário
- Cloreto de Estrôncio
•
Fluido refrigerante: Amônia
•
Principal vantagem: simplicidade operacional
•
Inconveniente: alterações de volume no sal de amônia
29/82
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO
TERMOQUÍMICA
Experiências de Laboratório (últimos 20 anos)
•
•
•
•
•
Protótipos (I e II) de Worsoe-Schmidt (1983)
Refrigerador solar “Coldfego” de Fléchon (1984)
Máquina de gelo de Iloeje (1985)
Máquina de gelo de Balat-Crozat (1988)
Protótipo industrial da Dornier GmbH (1990);
patente do IMP/CNRS – Perpignan, França.
• Faixa de eficiência:
0,06 < COP < 0,14
30/82
SISTEMAS DE RESFRIAMENTO
COM DESSECANTES
• Aplicação: ar condicionado
Humidifier
9
8
7
6
5
5´
Heater
1
Desiccant Wheel
FONTE: W. Pridasawas, 2003
2
3
4
Heat Exchanger Humidifier
Wheel
31/82
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO
POR ADSORÇÃO
Principais pares adsorvente-adsorvato
FONTE: N.C. Srivastava & I.W. Eames, 1998
32/82
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO
POR ADSORÇÃO
Escolha do par de acordo com a aplicação
• Ar condicionado e refrigeradores domésticos:
- Zeolita-água
- Gel de sílica-água
• Câmaras frigoríficas e máquinas de gelo:
- Carvão ativado-metanol
- Carvão ativado-amônia
- Zeolita-água
FONTE: N.C. Srivastava & I.W. Eames, 1998
33/82
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO
POR ADSORÇÃO
Possibilidades tecnológicas
• Ciclos intermitentes:
- Efeito frigorífico e regeneração ocorre
alternadamente;
- Tecnologicamente simples;
- Baixos COP.
• Ciclos avançados:
- Baseia-se na recuperação de calor e/ou massa;
- Diversas alternativas tecnológicas;
- COP mais elevados.
34/82
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO
Ciclos Avançados
•
Ciclos avançados I (processos a temperatura constante):
- Duplo ou triplo efeito (2 níveis de pressão);
- Múltiplos adsorvedores (2 níveis de pressão, único fluido, 1
evaporador e 1 condensador);
- Cascata (vários fluidos, evaporadores e condensadores; 2 níveis
de pressão por fluido);
- Ressorção;
- Triplo estágio (4 níveis de pressão).
•
Ciclos avançados II (processos com frentes de temperatura):
- Propagação de ondas de calor;
- Ondas térmicas de convecção forçada;
- Trocadores de calor rotativos.
35/82
ENERGIA SOLAR APLICADA À
REFRIGERAÇÃO
A energia solar pode representar uma alternativa
para operar sistemas de R & AC, possibilitando
economia de energia elétrica e diminuição do impacto
ambiental.
São aplicações interessantes da energia solar, uma
vez que, nas regiões mais ensolaradas, tanto a
demanda por resfriamento, quanto a de carência de
energia são maiores .
A refrigeração solar abrange várias opções
tecnológicas, que incluem sistemas operando por
conversão térmica (direta e indireta) e fotovoltáica.
36/82
COEFICIENTE DE PERFORMANCE SOLAR
Efeito Frigorífico
COPsolar =
= η COP
Radiação Solar Diária
η – eficência térmica de conversão solar
• No caso de máquinas de gelo:
Efeito Frigorífico ≡ Massa de Gelo x Calor Latente de Fusão
37/82
OPÇÕES TECNOLÓGICAS DA REFRIGERAÇÃO SOLAR
FONTE: W. Pridasawas, 2003
38/82
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO
FOTOVOLTAICOS
•
•
•
•
•
•
•
Refrigeradores à compressão de pequeno porte
Adaptados para operar com corrente contínua
Capacidade de estocagem: 27 a 100 litros
Capacidade de congelamento: 5 a 60 litros
Uso: conservação de vacinas e refrigeração
doméstica (0oC a 8oC)
COPsolar (médio): 0,09
Estimativas de unidades instaladas no mundo,
fomentadas pelo Programa Extensivo de
Vacinação da OMS:
1985 → 600 (180 kWp)
1997 → 7.000 (1.600 kWp)
FONTE: IIR, 1999
39/82
REFRIGERADORES
FOTOVOLTAICOS A COMPRESSÃO
Fabricantes certificados pela OMS/UNICEF
•
BP Solar
Inglaterra
Dulas
Inglaterra
NAPS Norway
Noruega
Photocomm
Estados Unidos
Solarex
Estados Unidos
Sun Frost
Estados Unidos
BP Solar Australia
Austrália
Tata BP Solar
India
Faixa de preço dos equipamentos:
3.000 a 7.000 US$ + 1.000 US$/ano (manutenção)
FONTE: IIR, 1999
40/82
CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DE SISTEMAS DE
ABSORÇÃO LÍQUIDA E SÓLIDA (Reação Química)
FONTE: I.P. Figueroa, 2004
41/82
REFRIGERADOR SOLAR TERMOQUÍMICO COLDFEGO
FONTE: IIR, 1999
•
Testado em Boulsa, Burkina Faso,
durante 2 anos;
•
Recebeu certificado da OMS;
•
Temperatura da câmara fria: 0oC a 8oC;
•
A Comesse Soudure (Empresa
francesa) comercializou 30 unidades
em diversos paises.
42/82
REFRIGERADOR SOLAR DE ABSORÇÃO ISAAC
•
•
•
•
•
FONTE: IIR, 1999
ISAAC – Intermittent Solar Ammonia Absorption Cycle
Marca registrada da empresa americana Energy Concepts
Tecnologia solar: coletores óticos de concentração fixa
Capacidade média diária de produção de gelo: 4,5 kg/m2
COPsolar: 0,084
43/82
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO
SOLAR POR ADSORÇÃO
Máquina intermitente, com conversão térmica direta.
• Vantagens:
- Podem funcionar sem consumo de energia elétrica ou mecânica;
- Tecnologia de coletores planos pode ser empregada;
- Compatível com o uso de fluidos não agressivos ao meio
ambiente.
• Desvantagens:
- Descontinuidade do ciclo;
- Baixos COP.
44/82
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
adsorvedor/
coletor solar
condensador
evaporador
câmara fria
45/82
CICLO TERMODINÂMICO IDEAL
QDA
QCD
a
40
310
270
230 190 150 110
adsorvedor
345
QAB
70
D
30
A
212
30
126
20
10
72
0
C
39
B
Vapor pre ssure (hPa)
Saturating te mpe rature (ºC)
Adsorbe d phase conce ntration
(g/kg de adsorbe nt)
vapor
QBC
vapor
condensador
líquido
20
-10
20
30 40
50 60
70 80
90 100 110
evaporador
Adsorbe nt te mpe rature (ºC)
Esquema da máquina intermitente
46/82
GEOMETRIA DOS ADSORVEDORES
Adsorvedores planos (tipo caixa)
Geometria usada nos protótipos do
LIMSI-CNRS, de Orsay, França
Detalhes do adsorvedor de máquina de
gelo do IRC da Univ. Shangai, China
47/82
PROTÓTIPO DE CÂMARA FRIGORÍFICA ZE-H2O
DESENVOLVIDO PELO LIMSI-CNRS (Orsay, França)
Testado em Montpellier, França, no início dos anos 80.
•
Área de coletores: 20m2
•
COPsolar (médio): 0,10
48/82
PRIMEIRO PROTÓTIPO DE MÁQUINA DE GELO
CA-METANOL DESENVOLVIDO NO LIMSI-CNRS
Testado em Orsay, França, em meados dos anos 80.
•
Produção média de gelo: 5,6 kg/m2dia
•
COPsolar (médio): 0,085
49/82
MÁQUINAS DE GELO CA-METANOL DESENVOLVIDAS
PELO LIMSI-CNRS E FABRICADAS PELA BLM
Testadas em Agadir, Marrocos, no final dos anos 80.
•
Produção média de gelo: 4 a 6 kg/m2dia
•
COPsolar: 0,07 a 0,12
50/82
PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR GS-ÁGUA
DO LIMSI-CNRS (Orsay, França)
Testado em Yverdon-les-Bains, Suiça, em 2000 e 2001
•
•
Potência frigorífica (efetiva) média: 4,0 MJ/dia
COPsolar (médio): 0,13
FONTE: C. Hildebrand et al., 2004
51/82
PROTÓTIPO DE SISTEMA DESENVOLVIDO
PELO LIMSI-CNRS (Orsay, França)
Refrigerador de última geração (CA-Me), derivado do modelo
“Gaspard” da BLM-LIMSI, fabricado em Lille, França.
52/82
REFRIGERADOR DE CA-METANOL
DESENVOLVIDO EM NSUKKA, NIGÉRIA
•
Temperatura no evaporador: 1oC a 8,5oC
•
COPsolar: 0,07 a 0,15
FONTE: E.E. Anyanwu & C.I. Ezekwe, 2003
53/82
MÁQUINA DE GELO “NO VALVE” DE CA-METANOL
DESENVOLVIDA EM SHANGAI, CHINA
FONTE: M. Li et al., 2004
•
Produção média de gelo: 4,0 kg/m2dia
•
COPsolar(médio): 0,079
54/82
ADSORVEDOR TUBULAR COM COBERTURA DE
VIDRO SOB VÁCUO (HONG KONG)
•
Temperatura máxima nos tubos: 130oC a 135oC
•
Eficiência térmica (η) do coletor-adsorvedor: 30 a 40%
FONTE: Y.J. Dai & K. Sumathy, 2003
55/82
HISTÓRICO DAS PESQUISAS EM
REFRIGERAÇÃO SOLAR NO BRASIL
•
1976 (A.S. Coutinho):
- Desenvolvimento experimental no LES/UFPB (João Pessoa), de um pequeno
refrigerador, baseado em absorção líquida, com o par NH3-H2O.
- Temperatura mínima no evaporador: 0oC
•
1984 (P. Vodianitskaia & R.P. Klüppel):
- Desenvolvimento experimental no LES/UFPB (João Pessoa), de um refrigerador
de adsorção, de 1 m2 de área de captação, com o par Gel de Sílica-H2O.
- Primeiro protótipo com adsorvedor multitubular registrado na literatura.
- Temperatura mínima no evaporador: 5oC
- COPsolar: 0,055
•
1990 (Silveira Jr):
- Desenvolvimento experimental na FEA/UNICAMP (Campinas), de um refrigerador
de adsorção, com coletor multitubular de 1 m2, com o par Carvão Ativado-CH3OH.
- Produção diária média de gelo (a 0oC): 2,8 kg
•
2003 (LABRADS): Protótipo em desenvolvimento no LES/UFPB.
56/82
PROTÓTIPO DO LES/UFPB
Máquina de carvão ativado-metanol para fabricação de gelo
57/82
CARACTERÍSTICAS DO
ADSORVEDOR-COLETOR SOLAR
• Adsorvedor multitubular;
• Superfície absorvedora não seletiva (preto fosco
automotivo) e bifacialmente irradiada;
• Coberturas transparentes modulares e móveis,
de policarbonato alveolar (coberturas TIM);
• Plano de captação ajustável;
58/82
DADOS DO
ADSORVEDOR
Carvão Ativado AC-35
placa
absorvedora
tela metálica
30 mm
76 mm
adsorvente
Massa em cada tubo: 2,62 kg
Massa total de adsorvente: 21 kg
Massa metálica total: 39 kg
Comprimento efetivo dos tubos: 1,65 m
Largura do plano formado pelos tubos: 0,61 m
⇒
Ao = 1,00 m2
59/82
POSICIONAMENTO DAS
COBERTURAS TIM
Posição durante a regeneração
Posição durante o resfriamento
60/82
COEFICIENTE GLOBAL DE PERDAS
8
_
U = 5,2 W/m2K
cobertura simples
U ( W/m2K )
6
4
_
U = 2,1 W/m2K
cobertura TIM
Resultados experimentais:
2
0,60 < U < 1,90 W/m2K
0
5,5
8,8
12,0
15,5
tempo (h)
Resultados comparativos de simulações numéricas
(cobertura TIM / cobertura simples)
61/82
SISTEMA DE
OTIMIZAÇÃO DA
INCIDÊNCIA SOLAR
62/82
RESULTADOS OBTIDOS EM DIA DE CÉU LIMPO
110
Tamb
100
1000
Tp
90
Tca
Température (ºC)
R ayonnem ent Solaire Total (W m -2)
1200
800
600
400
80
70
60
50
40
200
30
0
5:00
7:00
9:00
11:00
13:00
15:00
17:00
Horaire Local (h)
Radiação solar total (05/10/2003)
20
04:00
05/10
08:00
05/10
12:00
05/10
16:00
05/10
20:00
05/10
00:00
06/10
04:00
06/10
Variação de temperaturas
Rendimento de conversão solar: η = 38%
63/82
CICLO TERMODINÂMICO
Concentration (g/kg)
310
40
270
230 190 150 110
345
212
30
30
9:25
20
13:57
126
10
72
0
39
Vapor pressure (hPa)
Saturating tem perature (ºC)
70
4:00
19:00
3:20
-10
20
30
40
50
60
20
70
80
90
100
110
120
Regenerating tem perature (ºC)
64/82
VARIAÇÕES DE TEMPERATURAS NO
INTERIOR DA CÂMARA FRIA
Cham bre froide - Variation de s te m pérature s
35
30
Température (ºC)
25
20
15
10
5
0
-5
-1 0
5 :0 0
8 :0 0
1 1 :0 0
1 4 :0 0
1 7 :0 0
2 0 :0 0
2 3 :0 0
2 :0 0
5 :0 0
H o ra i re Lo ca l (h )
T amb ien te
T ág u a
T s at
T ar câmara
T ev ap
65/82
FORMAÇÃO DE GELO E FRAGMENTOS RETIRADOS
DO EVAPORADOR (06/10/2003)
•
Quantidade de gelo produzido: 6,05 kg/m2
•
Temperatura: - 3,3oC
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COMPARAÇÃO COM RESULTADOS DE
OUTROS PROTÓTIPOS
Treg
Tads
Tcon
Tev
Esi
Mcon
Mgelo
(max)
(min)
(mean)
MJ/m2
kg/m2
kg/m2
COPs
oC
oC
oC
(min)
João Pessoa
94,0
24,3
30,0
- 4,6
23,7
3,0
6,05
0,085
Protótipo de
Monastir1
90,0
12,0
27,5
- 2,0
25,0
2,5
5,00
0,067
Protótipo de
Agadir2
98,0
15,0
21,0
---
19,5
---
4,00
0,069
Sistema
Protótipo
oC
1
Adsorvedor plano, com 15 kg de CA, 0,8 m2 de S.S.S., cobertura de vidro simples e condensador a água.
2
Adsorvedor plano, com 20 kg de CA, 1,0 m2 de S.S.S., cobertura de vidro simples e condensador a ar.
η = (João Pessoa)= 38%
η = (Monastir)= 40%
η = (Agadir)= 41%
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PRINCIPAIS PUBLICAÇÕES (LABRADS)
•
A.P.F. Leite, M.B. Grilo, R.R.D. Andrade, F.A. Belo, F. Meunier, “Experimental
Evaluation of a Multi-Tubular Adsorber operating with Activated CarbonMethanol”. Adsorption, Holanda, Vol. 11, pp. 543-548, 2005.
•
A.P.F. Leite, M.B. Grilo, R.R.D. Andrade, F.A. Belo, “Dimensioning, Thermal
Analysis and Experimental Heat Loss Coefficients of an Adsorptive Solar Ice
Maker”. Renewable Energy, Inglaterra, Vol. 29 (10), pp. 1643-1663, 2004.
•
A.P.F. Leite, M. Daguenet, “Performance of a Solid-Adsorption Ice Maker with
Solar Energy Regeneration”. Energy Conversion and Management, Inglaterra,
Vol. 41, pp. 1625-1647, 2000.
•
A.P.F. Leite, M.B. Grilo, R.R.D. Andrade, F.A. Belo, F. Meunier, “An Improved
Multi-Tubular Solar Collector applied to Adsorption Refrigeration”. In: Proc. ISES
Solar World Congress, Orlando, Estados Unidos, 2005.
•
A.P.F. Leite, M.B. Grilo, R.R.D. Andrade, F.A. Belo, F. Meunier, “Experimental
Performance of an Advanced Solar-Powered Adsorptive Ice Maker”. In: Proc.
10th Brazilian Congress of Thermal Engineering and Sciences (ENCIT), Rio de
Janeiro, 2004.
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Esquema de funcionamiento
Sistema de Enfriamiento Primario
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TIM cover
non selective
absorbing plate
TIM cover
reflectors
TIM: Transparent Insulation Material – a capillary structure
in polycarbonate confined between 2 glass plates.
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Sistema de Enfriamiento Secundario
Parameter
Value
Total plant area of the rooms
110 m2
Occupancy period
8h
Inlet air temperature
14ºC
Return air temperature
26ºC
Cooled water temperature variation
13ºC
Effective cooling power
20 kW
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Sistema de Enfriamiento Primario
Parameter
Value
Chiller operation time
10 h
Cycle time for each adsorber
2h
Cooled water temperature variation
Mean total solar radiation
Temperature increase in the collectors
Cooling power
20ºC
21.3 MJ/m2day
35ºC
24 kW
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Sistema de Enfriamiento Primario
Parameter
Value
Coverage of regeneration heat supplied by solar energy
70%
Maximum temperature inside the storage water tank
supplied by the solar collectors
90oC
Inlet temperature of the water into the adsorber
105oC
Outlet temperature of the water from the adsorber
75oC
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Sistema de Enfriamiento Primario
Parameter
Value
Activated carbon mass in each adsorber
252 kg
Total methanol mass
144 kg
Volume of the cooled water storage tank
Solar collector total area
Volume of the hot water storage tank
10,300 liters
120 m2
7,000 liters
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Hot water (adsorber I)
Cold water (adsorber II)
methanol
Warm water (adsorber I)
Warm water (adsorber II)
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Coeficiente de transferencia de calor
- lado da la coraza -
Nu −1 / 3 ⎛ μ ⎞
Y =
⎟⎟
Pr ⎜⎜
12
⎝ μw ⎠
−0.14
+
5
hsh = 670 W/m2K
130
Adapted from Fraas & Ozisik, 1965
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Effective cooling load
COP =
Input thermal energy ( solar + gas )
20 x10 3 x8 x3600
=
= 0 .4
6
6
( 21 .3 x 10 x 0.4 x 120 ) + ( 438 x10 )
Energía Solar
(70%)
Gas
(30%)
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Con base en los parámetros de proyecto de la instalación
central de aire acondicionado propuesta, se puede inferir:
λ Para una regeneración solar de 70%, y una variación de 105oC a
75oC en la temperatura del agua a través del adsorbedor, el flujo
másico debe ser de 1.400 kg/h;
λ El coeficiente de transferencia de calor - lado de la coraza - del
intercambiador agua/adsorbente es de 670 W/m2K, lo que significa
un valor considerable para este parámetro;
λ El coeficiente de performance estimado (0,4) es relativamente bajo,
pero su valor es aceptable, teniendo en cuenta la predominancia
de la cobertura solar;
λ Un estudio imprescindible para el correcto dimensionamiento de
la instalación es la optimización de la relación entre la cantidad de
adsorbente y la duración del ciclo.
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os dados levantados sobre os sistemas de
refrigeração solar (SRS) indicam que:
• Os custos de sistemas fotoelétricos e de refrigeradores e
máquinas de gelo fototérmicos são muito altos;
• Pequenos refrigeradores fotoelétricos tem preço médio de
5.000 US$; igual valor se estima para máquinas de sorção
que produzem até 16 kg de gelo/dia;
• As eficiências ainda são muito baixas (COPsolar < 0,15) e
devem ser melhoradas, ao mesmo tempo em que os custos
dos equipamentos devem ser reduzidos;
• Uma perspectiva razoável seria alcançar valores de COPsolar
em torno de 0,20, para que os SRS possam se tornar
viáveis em zonas remotas.
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
Perspectivas para melhorar a eficiência dos sistemas de sorção
Coletores de Placa Plana
// Ciclos Intermitentes
Coletores de Alta
Performance
// Ciclos Avançados
40% → 50%
50% → 60%
Eficiência do ciclo
(COP)
0,3 → 0,4
1,0 → 1,2
Eficiência global
(COPsolar)
0,12 → 0,20
0,5 → 0,7
Parâmetro
Eficiência do
coletor-adsorvedor (η)
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