6.1. Conclusões
A presente dissertação teve como principal objectivo uma análise detalhada ao ciclo de refrigeração solar utilizando ejector. Após um estudo da aplicabilidade de vários fluidos de trabalho referidos na literatura, o modelo desenvolvido permitiu a simulação do sistema variando as condições operativas, para um conjunto de fluidos considerados mais apropriados. O ejector é o componente chave do ciclo de refrigeração por ejecção e o seu desempenho condiciona todo o sistema. Assim, procedeu-se a uma análise da geometria óptima do ejector, e a sua variação com as condições operativas.
De entre os vários fluidos referidos na literatura em estudos precedentes, foi seleccionado um conjunto de seis fluidos mais apropriados. Dois dos fluidos seleccionados são HCFC’s (R123 e R142b) apesar do fim da sua produção se encontrar agendada para 2030. O R600a é o fluido menos prejudicial para o ambiente, no entanto a sua utilização requer alguns cuidados devido à sua elevada inflamabilidade. O fluido R152a apresenta uma temperatura crítica de 113 °C, restringindo assim a temperatura no gerador. A água é o fluido de trabalho mais barato e abundante, no entanto a sua utilização conduz a desempenhos bastante aquém dos obtidos com os restantes fluidos. Após o contacto com alguns distribuidores, verificou-se que a nível nacional os HCFC’s já não se encontram em comercialização, bem como o fluido RC318, concluindo-se assim que os fluidos R152a e R600a são a melhor escolha para implementação de um sistema deste tipo em Portugal.
A escolha do tipo de colectores apresenta uma influência significativa no rendimento do sistema global, sendo necessário uma análise económica de forma a optar pela melhor solução. Embora o fluido R600a permita obter um melhor desempenho do ejector, a utilização do R152a conduz a um COP superior e por conseguinte, a um melhor rendimento do sistema global, bem como a uma maior potência frigorífica para a mesma área colectora. No entanto, a sua utilização restringe a temperatura do gerador a 113 °C, sendo que para temperaturas superiores a este valor podem ser utilizados outros fluidos como o R142b ou o R600a, garantindo bons níveis de desempenho. De entre as temperaturas operativas, a temperatura do condensador é a que apresenta uma maior influência no desempenho do ciclo frigorífico, e consequentemente do sistema global.
A utilização de água como fluido de trabalho conduz aos ejectores de maior dimensão, enquanto que utilizando o fluido R152a se obtém os ejectores de menor dimensão, o que pode constituir um entrave na implementação de um sistema de variação da geometria. Em sistemas solares com equipamento auxiliar de aquecimento, o mesmo ejector pode operar garantindo elevados níveis de desempenho com os fluidos R142b, RC318, R152a e R600a, desde que esteja munido de um sistema de variação de geometria. A razão de áreas varia bastante com as condições operativas, e para um diâmetro fixo da secção de área constante, o diâmetro da garganta do bocal convergente-divergente varia no mínimo 50 % (correspondente à utilização do fluido R152a) com a gama de temperaturas do condensador entre 24 e 40 °C, o que indica a vantagem da implementação de um sistema automático de variação de geometria do ejector.
6.2. Perspectivas de trabalho futuro
Os sistemas de refrigeração solar utilizando ejector necessitam ainda de investigação e desenvolvimento de forma a serem economicamente rentáveis e competitivos no mercado actual.
O ejector é o componente chave do ciclo de refrigeração e o seu funcionamento é complexo. No presente estudo, procedeu-se a uma análise unidimensional, considerando-se o fluido de trabalho como um gás ideal. No entanto, recorrendo a programas CFD, é possível realizar uma análise bidimensional ou tridimensional e considerar o fluido de trabalho como um gás real, obtendo-se assim simulações mais próximas da realidade. Uma grande vantagem da utilização de CFD é a capacidade de realizar simulações com o ejector fora de condições de desenho (“off design”), ou seja, com um ejector de dimensões fixas. Assim, torna-se possível simular o funcionamento e avaliar o desempenho de um dado ejector sob diferentes condições operativas.
No âmbito de um projecto homologado pela FCT, foram realizados alguns estudos preliminares utilizando simulações CFD, recorrendo ao programa Fluent (Ansys, EUA). O objectivo do projecto é o desenvolvimento de um sistema de arrefecimento solar utilizando um ejector de geometria variável. A figura 6.1 mostra o desenho de um ejector típico utilizado nas simulações, já integrando um dispositivo de variação de geometria (assinalado com cor mais clara), designado por “spindle”. Este dispositivo funciona como uma válvula, à medida que avança para o interior do bocal convergente-divergente primário diminui o diâmetro da garganta (estrangulamento), reduzindo assim o caudal de fluido primário.
Figura 6.1 - Desenho de um ejector típico utilizado nas simulações CFD, evidenciando o dispositivo de variação de geometria.
-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 λ Temperatura do condensador (°C) R142b Te=10 °C Tg=90 °C Tg=100 °C Tg=110 °C
Na figura 6.2 está representada a evolução da razão de sucção com a temperatura do condensador, obtida com recurso a simulações CFD (considerando o modelo de gás real), para três temperaturas distintas no gerador, utilizando um ejector de dimensões fixas. A temperatura do evaporador foi mantida constante em 10 °C e o fluido de trabalho utilizado foi o R142b. Como se pode denotar, simulando um ejector fora de condições de desenho (dimensões fixas), o valor de λ decresce com a temperatura no gerador. Verifica-se que quanto maior a temperatura no gerador, a temperatura crítica do condensador aumenta, valor a partir do qual a razão de sucção decresce abruptamente, dando origem a que o ejector perca a sua funcionalidade.
A figura 6.3 mostra a variação da razão de sucção e da temperatura crítica do condensador com a posição do “spindle” evidenciado na figura 6.1, para três temperaturas distintas no gerador. A posição do “spindle” corresponde ao número de milímetros que avança para o interior do bocal convergente-divergente. Estes resultados foram novamente obtidos com recurso a simulações CFD (considerando o modelo de gás real), utilizando R142b como fluido de trabalho e mantendo a temperatura do evaporador em 10 °C. Analisando a figura é possível verificar que o valor de λ aumenta com a posição do “spindle” devido ao efeito de estrangulamento, o que promove a redução do caudal fluido primário, não alterando o valor do caudal secundário. No entanto, à medida que o “spindle” avança para o interior do bocal convergente-divergente primário, a temperatura crítica do condensador diminui, o que indica que existe uma posição óptima de funcionamento que depende da temperatura que se verifica no condensador (dependente das condições climáticas), garantindo assim que o ejector funcione na condição crítica (Tc = Tcr), maximizando o valor de λ.
Figura 6.2 – Evolução da razão de sucção com a temperatura do condensador para três temperaturas distintas no gerador. Temperatura do evaporador de 10 °C.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 2 4 6 8 10 Temperatura crítica do condensador (°C) λ Posição do "spindle" (mm) λ; Tg=90 °C λ; Tg=100 °C λ; Tg=110 °C Tcr; Tg=90 °C Tcr; Tg=100 °C Tcr; Tg=110 °C R142b Te=10 °C
Sugere-se a continuação deste estudo, executando o mesmo processo para os restantes fluidos seleccionados, facilitando assim a escolha do fluido mais apropriado. Numa segunda fase, propõe-se a construção do sistema de forma a verificar experimentalmente o seu desempenho.
Por último, seria também muito interessante o desenvolvimento de um sistema combinado, em que o calor proveniente dos colectores solares seja utilizado para arrefecer o ambiente no verão (tal como no presente estudo) e no inverno o calor gerado seja aproveitado para o aquecimento de águas sanitárias, visto que não existe carga de arrefecimento. Este tipo de solução permite o funcionamento do sistema durante uma maior parte do ano, promovendo assim a sua rentabilidade.
Figura 6.3 – Variação da razão de sucção e da temperatura crítica do condensador com a posição do “spindle”, para três temperaturas distintas no gerador. Temperatura do evaporador de 10 °C.
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