2 REVISÃO DA LITERATURA
2.5 Estudos experimentais
Nos últimos anos, têm sido apresentados estudos experimentais realizados por vários pesquisadores para o desenvolvimento de sistemas avançados de refrigeração GAX a fim de encontrar novas configurações que permitam obter maiores coeficientes de desempenho, elevação de temperatura, ou temperaturas mais baixas a partir de uma dada fonte de calor para a geração de refrigerante. Além disso, muitos estudos e pesquisas têm sido realizados para o desenvolvimento de sistemas de cogeração, em que o calor rejeitado por um dos sistemas é utilizado como fonte térmica para o fornecimento de calor para as unidades de absorção. As investigações experimentais de sistemas de absorção GAX são recentes e algumas das mais relevantes podem ser mencionadas a seguir.
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2.5.1 Ciclos GAX avançados desenvolvidos a partir do sistema GAX padrão
NG et al. (1997) investigaram experimentalmente um chiller de absorção água-amônia de capacidade de refrigeração de 7,03kW, resfriado a ar e aquecido a gás, com um trocador de calor gerador, um trocador de calor absorvedor e uma configuração GAX regenerativa. A configuração GAX regenerativo é obtida a partir do ciclo multi-GAX (obtido quando dois ou mais estágios para a geração de vapor no ciclo são ligados em série) através da eliminação de circuitos comuns de fases isobáricas na qual massa de refrigerante é trocada. Esse sistema é apresentado na figura 2.26. Os resultados mostraram que o valor de COP do sistema de 0,80 foi obtido para as condições de operação de temperatura do gerador de 200°C, temperatura do condensador de 44°C, temperatura de absorção de 41°C e temperatura do evaporador de 8°C.
Figura 2. 26 – Configuração de um chiller de absorção água - amônia GAX regenerativo (NG et al. 1997).
O trabalho de PRIEDEMAN e CHRISTENSEN (1999) apresentou um projeto de sistema de absorção para aplicações residencial e comercial, onde pouco equipamento de absorção é utilizado. O projeto do sistema apresentado na figura 2.27, se baseou em simulações computacionais, as quais
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foram validadas por resultados experimentais. Uma bomba de calor com ciclo de absorção água- amônia GAX com capacidades de refrigeração de 10,5kW e chillers de 11,6kW e 17,6kW (3TR, 3,3TR e 5TR, respectivamente) foram inicialmente modelados e, em seguida, este último foi construído e testado. Os resultados experimentais foram utilizados para calibrar a simulação do ciclo e as simulações de componentes, validando rotinas de programação para projetar com precisão o desempenho do ciclo e de seus componentes. O resfriador com capacidade de 17,6kW foi modelado através do software OSU-ABSIM (GROSSMAN et al., 1991), que é um código computacional utilizado para simulação de um sistema de absorção de forma modular e flexível. Os estudos mostraram uma diferença de 5% no COP entre os resultados de simulação e experimentais.
Figura 2. 27 – Configuração do ciclo de absorção GAX água – amônia com gás natural como fonte de calor, resfriamento a
ar para aplicações residencial e comercial (PRIEDEMAN e CHRISTENSEN, 1999).
PRIEDEMAN et al. (2001) desenvolveram outro estudo para avaliar possíveis melhorias de desempenho para o mesmo sistema de absorção GAX com capacidade de refrigeração de 17,6kW (5TR) conforme esquema apresentado na figura 2.28. De acordo com pesquisa de mercado, que mostrou que existem significativas oportunidades de negócios para aplicação de bombas de calor ou
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chiller de absorção GAX com um COP de resfriamento de 0,70 ou superior, o estudo avaliou a capacidade do sistema em atingir valores próximos desse desempenho. Os componentes do ciclo foram construídos com equipamentos de instrumentação, incluindo medidores de fluxo, transdutores de pressão e termopares. Os testes foram realizados após estado estacionário do chiller ser alcançado em temperatura ambiente de 35°C. O COP experimental obtido da unidade foi de 0,68 e muitos pontos de estado do sistema e taxas de calor dos componentes apresentaram valores próximos dos resultados de simulação. Uma melhoria na eficiência do queimador de gás do gerador, na queda de pressão entre o evaporador e a entrada de solução na bomba, e menor recuperação de calor no GAX resultaram em melhor desempenho do sistema.
SARAVANAN et al. (2008) investigaram o desempenho de um sistema de refrigeração por absorção água-amônia GAX aquecido por fonte de calor a partir de biomassa, com capacidade de refrigeração de 140,67kW (40TR). O sistema foi desenvolvido para aplicações no setor secundário de laticínio e utiliza água para o resfriamento dos trocadores de calor. Resultados obtidos do ciclo mostraram um valor máximo do COP para uma temperatura do gerador de 120°C e uma temperatura do condensador de 30°C de 0,58. Esse valor de COP obtido para o sistema GAX foi 30% maior que o do sistema de absorção de simples efeito. Além disso, foram comparados resultados de consumo de eletricidade entre o sistema de absorção GAX e um sistema de compressão mecânica a vapor. Foi obtida uma economia de cerca de 70% no consumo de energia elétrica do sistema GAX em comparação com o sistema de compressão de vapor de mesma capacidade.
GOMEZ et al. (2008) realizaram um estudo teórico e experimental a partir de um protótipo de sistema de refrigeração por absorção GAX usando a mistura água-amônia operado a partir de aquecimento indireto proveniente de um óleo térmico de termelétrica. A figura 2.28 mostra o esquema do sistema projetado para aplicações de ar condicionado com capacidade de refrigeração de 10,6kW (3TR). Um modelo de simulação foi desenvolvido, calibrado e validado a partir de valores e resultados experimentais, para determinar o desempenho do sistema fora dos parâmetros de projeto. Os resultados experimentais foram obtidos utilizando o óleo térmico como fonte de aquecimento, em temperaturas na faixa de 180 a 195°C e após a estabilização do sistema (estado estacionário), o qual foi atingido depois de 25 a 30 minutos de operação. Foi obtida uma recuperação interna de calor no sistema de aproximadamente 55% em relação ao calor total fornecido ao gerador. O COP experimental obtido foi de 0,58 com temperatura de geração de 192,5°C, enquanto o COP calculado pela simulação foi de
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0,61. Além disso, foi simulado o desempenho de um sistema de cogeração constituído pelo ciclo de absorção GAX integrado a uma microturbina a gás. Resultados para as eficiências globais do sistema de cogeração de 29% a 49% foram obtidas para as capacidade de refrigeração de 5kW a 20kW, respectivamente. Os autores concluíram que o sistema apresenta potencial para competir tecnicamente no mercado de ar condicionado.
Figura 2. 28 – Configuração esquemática do protótipo de resfriamento de absorção GAX (GOMEZ et al. 2008).
2.5.2 Ciclo GAX avançado com ramificações - BGAX
A figura 2.29 apresenta o esquema de um protótipo utilizado por ERICKSON et al. (1996) para estudo teórico e experimental de uma bomba de calor com ciclo de absorção GAX ramificado (Branched GAX - BGAX) com mistura água-amônia, usando gás residual como fonte de calor e resfriamento a ar. Os resultados medidos para o estado estacionário do ciclo GAX padrão apresentaram um COP teórico de refrigeração de 1,06 com elevação eficaz de temperatura de 38,9°C (a diferença
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entre a temperatura do evaporador e a média de temperaturas do condensador e do absorvedor) e capacidade de resfriamento de 4,2 toneladas de refrigeração (14,77kW). Para a mesma elevação de temperatura de 38,9°C, o COP experimental do ciclo de refrigeração GAX ramificado foi de 1,04, e para condição ambiental de 35°C, foi obtida capacidade de resfriamento de 4,5 toneladas de refrigeração (15,82kW) a COP de resfriamento de 0,95. Segundo os autores, o desempenho do ciclo
GAX ramificado foi marginalmente menor do que o do ciclo GAX padrão devido principalmente ao
subresfriamento da solução líquida absorvente nas seções superior e inferior da coluna absorvedor-
GAX.
Figura 2. 29 – Configuração esquemática do protótipo de bomba de calor BGAX (ERICKSON et al. 1996).
2.5.3 Ciclos GAX avançados híbrido - HGAX
ZHOU e RADERMACHER (1997) investigaram experimentalmente o ciclo de compressão de vapor com um circuito de solução e um trocador de calor absorvedor-gerador GAX. Água quente foi utilizada como fonte de calor para o gerador, a mistura água-amônia como solução de trabalho e o resfriamento dos trocadores de calor realizado a água. Para elevações de temperatura entre 60 e 80°C,
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valores de COP na faixa de 1,2 a 1,8 foram obtidos para faixa de capacidade de resfriamento entre 7 e 12kW. Os resultados foram comparados com aqueles apresentados por um ciclo de simples estágio e duplo estágio, os quais revelaram que no ciclo de duplo estágio a elevação de temperatura foi maior e o COP de resfriamento foi menor. No entanto, o ciclo de simples estágio apresentou maior COP de resfriamento, porém menor elevação de temperatura. Os resultados experimentais mostraram que, quando um desvio foi introduzido entre a saída do absorvedor I e a entrada do gerador II, o subresfriamento e diminuição da variação do COP de resfriamento foi entre 1 e 3%, e a elevação de temperatura aumentou para o valor máximo de 6°C.