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instituto federal de santa catarina

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Academic year: 2023

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O presente trabalho trata da análise de um sistema de refrigeração por compressão de vapor presente em um abatedouro de aves na região oeste de Santa Catarina, Brasil, onde são abatidos aproximadamente 190.000 frangos por dia. O consumo de energia do sistema de refrigeração analisado representa aproximadamente 70% do consumo total da empresa.

Problema de pesquisa / justificativa

O parâmetro mais relevante para quantificar o desempenho de um sistema de refrigeração é o chamado coeficiente de desempenho (COP). A capacidade de refrigeração para o regime alto utilizada foi a soma das capacidades dos evaporadores altos, disponíveis na Tabela 2.

Objetivos

Objetivo geral

O sistema de refrigeração da empresa consiste em uma típica instalação industrial, que utiliza amônia (R717) como refrigerante e o consumo de energia na casa de máquinas gira em torno de 70%. O estudo buscará identificar formas de aumentar a eficiência energética do sistema de refrigeração da empresa através de modelagem matemática e análise termodinâmica do sistema, juntamente com sua implementação no software de simulação CoolPack, onde diferentes parâmetros apresentarão alterações que gerariam uma melhoria na energia . energia do sistema de consumo.

Objetivos específicos

Nesse sentido, o presente estudo tem como objetivo analisar um sistema de refrigeração existente em uma empresa produtora de carne (matadouro de frango), localizada na região oeste de Santa Catarina, região que se destaca pela grande presença de mercado neste segmento de alimentação. ... Neste capítulo serão abordados conceitos relacionados ao ciclo de refrigeração por compressão de vapor para que seja possível desenvolver uma análise de eficiência e modelagem termodinâmica e de software para um sistema de refrigeração.

Refrigeração

O ciclo de refrigeração por compressão de vapor

  • Compressor
  • Condensador
  • Válvula de expansão
  • Evaporador

A Figura 1 apresenta o ciclo simples de refrigeração por compressão de vapor, composto por um líquido refrigerante e pelos seguintes equipamentos: compressor, condensador, válvula de expansão e evaporador. No sistema de refrigeração, o evaporador é o trocador de calor que transfere o calor do ambiente a ser resfriado para o líquido refrigerante em ebulição (GUIMARÃES, 2012).

Figura 1 - Ciclo de refrigeração simples.
Figura 1 - Ciclo de refrigeração simples.

Análise termodinâmica para o ciclo de refrigeração por compressão de vapor

Potência de compressão

A quantidade de energia por unidade de tempo que deve ser fornecida ao refrigerante no compressor para atingir o aumento de pressão necessário ao ciclo é chamada de potência de compressão (TASSINI, 2012). Segundo Tassini (2012), a potência real de compressão também pode ser razoavelmente estimada se a eficiência do compressor for corretamente estimada.

Capacidade de refrigeração

Calor rejeitado no condensador

Coeficiente de performance (COP)

Sistemas de múltiplos estágios de pressão

Compressão com duplo estágio e dois níveis de temperatura de evaporação

A Figura 6 mostra um ciclo de refrigeração com dois estágios de compressão e duas temperaturas de evaporação, ilustrando a disposição e direção dos componentes do ciclo e o gráfico pressão x entalpia. Neste circuito, o vapor que sai do evaporador de temperatura intermediária é enviado para o intercooler, de onde é absorvido pelo compressor do estágio de alta pressão. Neste caso, a pressão intermediária não pode ser fixada livremente, pois seu valor está associado à aplicação de alta temperatura, em decorrência de um compromisso entre as capacidades dos compressores dos estágios de alta e baixa pressão (STOECKER e JABARDO, 2002) .

Compressão com dois estágios de compressão e três níveis de temperatura

Eficiência energética na refrigeração

O sistema de refrigeração estudado possui atualmente um total de 14 compressores em operação, dos quais 5 operam na fase de compressão de baixa pressão (-35°C/-10°C) e 9 na fase de compressão de alta pressão (-10°C). ). C/+35°C). Como não estavam disponíveis dados confiáveis ​​sobre a capacidade de refrigeração dos evaporadores no regime de baixa pressão/temperatura, a capacidade de refrigeração instantânea destes evaporadores foi estimada de acordo com os procedimentos abaixo. O coeficiente de desempenho do sistema de duplo estágio de pressão é definido pela razão entre a soma das capacidades de refrigeração dos evaporadores de alta e baixa pressão/temperatura e a soma da potência consumida pelos compressores e pode ser calculado usando a equação 3.9.

Onde, 𝑃𝑟𝑎 e 𝑃𝑟𝑏 são a capacidade de resfriamento dos evaporadores de alta e baixa pressão/temperatura respectivamente, e 𝑃𝑐𝑎 e 𝑃𝑐𝑏 são a potência consumida por alta pressão e baixa pressão/ Com as potências determinadas no momento da medição, o próximo passo foi o cálculo de a capacidade de refrigeração dos compressores no regime de baixa pressão/temperatura e a taxa de circulação de líquido nos evaporadores no regime de baixa, utilizando o balanço de massa e energia do sistema e considerando um sistema de compressão isentrópica. Com todos os dados e valores necessários, o valor da potência de resfriamento do lado inferior foi calculado usando as Equações 3.6 e 3.7 (𝑃𝑟 = 4017,3 kW).

O efeito de resfriamento para o regime alto utilizado foi, assim como na primeira simulação, o valor somado da capacidade dos evaporadores altos, mostrado na tabela 2.

Figura 8 - Circuito detalhado do sistema de refrigeração instalado na empresa.
Figura 8 - Circuito detalhado do sistema de refrigeração instalado na empresa.

Identificação do sistema de refrigeração existente

Levantamento de informações básicas do sistema

Os pontos e locais do sistema onde a temperatura e a pressão da amônia são medidas foram identificados. Através de um sistema de vigilância que mede as temperaturas de entrada e saída de cada subsistema em tempo real, onde esses dados ficam armazenados por um período de sete dias, foi analisado em qual período do dia seria realizada a leitura de temperaturas e pressões. fora, fornecer esses dados para simulação do sistema no software e modelagem termodinâmica. Onde as linhas representam o histórico das temperaturas de entrada e saída dos túneis de congelamento contínuo 1 e 2.

Capacidades gerais dos componentes do sistema

A medição da temperatura é possível na descarga de todos os compressores, mas apenas na sucção de alguns. Os evaporadores são atribuídos a cada ambiente a ser resfriado, e as capacidades totais de cada ambiente resfriado são mostradas na Tabela 2. Os condicionadores de ar, usinas de gelo e resfriamento de água, totalizando 1.831.620 kcal/h ou 2.130 kW, estão associados a altas temperaturas/ regime de pressão e o restante regime de baixa temperatura/pressão.

Tabela 1 – Modelo e capacidade dos compressores presentes na instalação frigorífica.
Tabela 1 – Modelo e capacidade dos compressores presentes na instalação frigorífica.

Simulação do sistema no software

Para uma planta típica de refrigeração industrial, com 2 estágios de compressão e evaporadores sobrealimentados, o software fornece a configuração ilustrada na Figura 16. Da mesma forma, os 9 condensadores evaporativos foram modelados como um único condensador, assim como os 9 compressores do condensador de compressão. estágio de alta pressão/temperatura e os 5 compressores de baixa pressão/temperatura. Além disso, como você pode ver na Figura 15, o software CoolPack também apresenta diferentes modelos de análise para os diferentes componentes do ciclo de refrigeração, permitindo análises detalhadas se necessário.

Figura 16 - Software CoolPack: modelo termodinâmico para um sistema de refrigeração com duplo estágio de  compressão e evaporadores sobrealimentados
Figura 16 - Software CoolPack: modelo termodinâmico para um sistema de refrigeração com duplo estágio de compressão e evaporadores sobrealimentados

Processamento dos dados experimentais para simulação

Os valores de vazão, fatores de potência e capacidades foram obtidos através de informações disponibilizadas pela empresa. Os deslocamentos volumétricos foram obtidos nos catálogos dos fabricantes, pois não estavam disponíveis nos documentos da empresa. Como o valor de potência do compressor da Tabela 4 indica o valor nominal, os valores de potência instantânea nos compressores, baseados na medição da corrente de acionamento elétrico, foram utilizados como dados de entrada para as simulações, simultaneamente aos demais dados do sistema . Os demais dados obtidos no sistema foram os valores de pressão e temperatura da amônia, que foram obtidos por meio de medições nos manômetros e termômetros presentes no sistema.

Tabela 4 - Dados nominais dos motores elétricos dos compressores.
Tabela 4 - Dados nominais dos motores elétricos dos compressores.

Modelagem termodinâmica

Balanço de massa e energia

As entalpias de sucção do compressor são obtidas a partir das tabelas de propriedades termodinâmicas da amônia em função da temperatura de sucção medida. As entalpias de descarga são obtidas a partir da condição de compressão isentrópica e baseadas na pressão de descarga do fluido.

Cálculo do coeficiente de performance (COP)

Evaporadores sobrealimentados

A determinação experimental dessas velocidades pode ser feita medindo-se a vazão volumétrica na saída dos evaporadores, o que permite o cálculo da fração mássica do vapor na mistura líquido-vapor e, assim, da velocidade real de circulação. Por meio de simulação, pode-se quantificar a influência da taxa de circulação na eficiência global do sistema, buscando determinar uma taxa de circulação ótima. Como a taxa de circulação é a razão entre a vazão mássica do líquido realmente bombeado para o evaporador e a vazão mássica que seria necessária se o líquido evaporasse completamente (fração mássica de vapor na saída igual a 100%), usando a equação 3.10 é calculada a taxa de circulação de amônia em evaporadores de baixa pressão/temperatura.

Primeira simulação

Assim, levando em consideração a eficiência isentrópica de 0,7 e a potência real de compressão de 706 kW, mostradas na Tabela 7, a potência de compressão isentrópica encontrada pela equação 3.2 foi de 494 kW. Os valores de entalpia encontrados com base nas tabelas termodinâmicas e através de cálculos levando em consideração o sistema isentrópico são apresentados na Tabela 8. Definidas a potência de compressão e as entalpias, a vazão mássica nos compressores foi determinada através da equação 3.3, onde o valor encontrado foi determinado. : 𝑚̇13= 𝑚̇14 = 3,2 kg/s.

Tabela 7 - Potência real calculada pela corrente medida nos compressores – leitura 01
Tabela 7 - Potência real calculada pela corrente medida nos compressores – leitura 01

Segunda simulação

Utilizando novamente uma eficiência isentrópica de 0,7 e potência real, mostrada na Tabela 12, de 729 kW, utilizando a equação 3.2, o valor de potência isentrópica encontrado foi de 510,3 kW. Nota-se que em ambas as leituras dos dados os compressores desligados foram iguais, 1, 3 e 17, isso porque a intenção é operar a casa de máquinas idealmente com pressão entre 1,8 e 2 kgf/cm². O compressor 17 é ligado quando a pressão de sucção elevada é muito elevada, cerca de 2,5 kgf/cm², com o objetivo de normalizar e diminuir a pressão da rede.

Tabela 13 - Entalpias em pontos do sistema utilizado nos cálculos – leitura 02.
Tabela 13 - Entalpias em pontos do sistema utilizado nos cálculos – leitura 02.

Coeficiente de performance (COP) e energia consumida

Diminuição da temperatura de condensação

Na primeira simulação, com temperatura de condensação de 30,1°C, o consumo de energia em um dia foi de 62.390 kWh. Ao alterar essa temperatura para 29,1°C, o consumo de energia foi de 61.168 kWh, o que equivale a uma diferença de 1.222 kWh por dia. Isto pode ser feito instalando equipamentos independentes do sistema de refrigeração para diminuir a temperatura da água que entra no condensador, por exemplo, instalando resfriadores evaporativos.

Figura 29 - Software CoolPack: detalhamento das condições operacionais – simulação de comparação na  temperatura de condensação
Figura 29 - Software CoolPack: detalhamento das condições operacionais – simulação de comparação na temperatura de condensação

Aumento da temperatura de evaporação

A Tabela 16 foi criada para demonstrar esta simulação, apresentando a diferença no consumo de energia e os custos diários e anuais (considerando 300 dias de operação por ano, para compensar finais de semana e feriados) para diversas outras temperaturas de evaporação. Podemos depreender da tabela que se a temperatura de operação for apenas 1°C inferior à temperatura ideal de trabalho, e essa margem for mantida por exemplo por um ano, a empresa desperdiça um valor superior a R cerca de 1,4%. excesso de resfriamento. Isto confirma o impacto económico causado pela temperatura de evaporação do regime de baixa pressão, o que leva à importância de uma monitorização e controlo rigorosos desta temperatura para trabalhar o mais próximo possível da temperatura ideal.

Figura 32 - Software CoolPack: variáveis auxiliares – simulação de comparação na temperatura de evaporação
Figura 32 - Software CoolPack: variáveis auxiliares – simulação de comparação na temperatura de evaporação

Taxa de circulação

Há uma busca crescente para melhorar a eficiência energética da refrigeração industrial, tanto através da redução do consumo global de energia como do aumento do desempenho financeiro das empresas. No presente trabalho foi realizada uma investigação de um sistema de refrigeração em um matadouro de aves. Há também uma grande oportunidade de economia com base na temperatura de condensação da planta, portanto pode-se concluir que o monitoramento para garantir a execução de ações básicas, como limpeza periódica dos condensadores, correto tratamento da água e purga de materiais não condensáveis da planta pode resultar em um aumento notável na eficiência do condensador.

Imagem

Figura 1 - Ciclo de refrigeração simples.
Figura 2 - Sistema de compressores.
Figura 3 - Condensador evaporativo.
Figura 4 - Válvula de expansão.
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Referências

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Assim, o presente texto de discussão tem como objetivo estudar os modelos de operação do serviço de carsharing existentes e os possíveis locais de instalação dos pontos