Construção e estudo de um sistema de refrigeração com energia solar

Construção e estudo de um sistema de refrigeração com energia solar

Gonçalo J. V. N. Brites1, José J. Costa2 e Vítor A. F. Costa3

1

ADAI, Dep. Eng. Mecânica, Universidade de Coimbra, P 3030-788 Coimbra, Portugal email: goncalo.brites@dem.uc.pt http://www.adai.pt

2

ADAI, Dep. Eng. Mecânica, Universidade de Coimbra, P 3030-788 Coimbra, Portugal

3

Universidade de Aveiro, Dep. de Engenharia Mecânica, P 3810-193, Aveiro, Portugal Sumário

Foi construído um sistema de refrigeração para fins de demonstração, usando unicamente o Sol como fonte de energia. O funcionamento tem por base o ciclo de refrigeração por adsorção, usando o par sílica gel-água, com um funcionamento intermitente, demorando 24 horas a executar um ciclo completo, e podendo produzir de 1 a 2 kg de gelo por dia em funcionamento óptimo.

Palavras-chave: frigorífico solar, refrigeração solar, ciclo de refrigeração por adsorção

1 Introdução

A refrigeração solar por adsorção usando o par sílica gel-água tira partido das características higroscópicas da sílica gel do tipo A, material caracterizado por uma elevada porosidade, com uma superfície específica entre 650 a 800 m2/g, podendo adsorver uma quantidade de vapor de água de aproximadamente 40% do seu peso. Utilizando a energia solar é possível conseguir um ciclo de refrigeração totalmente autónomo, que, embora com um Coeficiente de Performance (COP) baixo, não só aproveita uma fonte de energia gratuita e inesgotável como é relativamente fácil de construir, pois não necessita de componentes eléctricos nem de painéis fotovoltaicos para funcionar.

2 Adsorventes sólidos

A adsorção é o processo físico através do qual as moléculas de um gás ou vapor (designado por adsorvato) se fixam na superfície de um sólido microporoso (o adsorvente). Este processo é completamente reversível, pois não existe nenhuma reacção química e a espécie adsorvida simplesmente forma uma camada na superfície do adsorvente. O processo inverso, quando a sílica liberta o vapor de água anteriormente adsorvido, é chamado de dessorção, desadsorção ou regeneração. Em termos termodinâmicos a adsorção pode ser comparada a uma mudança de fase, considerando-se nos calculos energéticos que a entalpia de adsorção pode ser tratada como uma entalpia de mudança de fase.

Os materiais adsorventes são muito comuns em aplicações de separação e purificação de gases, bem como no controlo da humidade relativa do ar. Exemplos de adsorventes muito comuns são o carvão activado, a sílica-gel e as zeolites, sendo a principal característica destes materiais a existência de uma estrutura ramificada de poros muito finos no seu interior, cuja superfície pode ultrapassar os 800 m2/g. Os diferentes tipos de sílica-gel e de carvão activado têm uma estrutura amorfa, exibindo sempre uma variação mais ou menos significativa do tamanho dos poros, enquanto as zeolites têm uma estrutura cristalina bem definida, com poros de diâmetro constante, e que por esta razão também são designados por “crivos moleculares”, pois apenas permitem que moléculas com diâmetro inferior ao diâmetro dos poros da malha cristalina penetrem no seu interior e sejam adsorvidas. Controlando o processo de fabrico dos adsorventes, bem como a composição química, é possível controlar o diâmetro dos poros, e assim conseguir uma variação das propriedades de um material adsorvente, tornando-o especialmente indicado para uma utilização particular. No caso da sílica-gel, o tipo mais adequado para a utilização em sistemas de refrigeração solar é a sílica de poro fino. A Tabela 1 apresenta as características mais importantes da sílica gel utilizada neste trabalho.

Tabela 1 – Algumas propriedades da sílica-gel utilizada.

Massa volúmica (aparente): 750 kg/m3 Calor específico: 0.92 kJ/(kg K)

Superfície de adsorção: 650-800 m2/g Condutibilidade térmica: 0.175 W/(m K)

Diâmetro dos poros: 2.0-3.0 nm Capacidade máx. de adsorção:

(kg H2O / kg sílica seca x 100%)

2.1 Equilíbrio de adsorção

O estado de um determinado adsorvente sujeito à adsorção de apenas um gaz ou vapor, em equilibrio, pode ser correctamente definido por uma função do tipo

f q P T

( *, , )



0

, que correlaciona a quantidade de vapor adsorvido com a pressão e a temperatura, sendo necessário recorrer à experimentação para determinar a forma do equilíbrio. Fixando a pressão, e medindo experimentalmente a variação da concentração em função da temperatura obtêm-se as curvas isobáricas, e por um processo semelhante mas fixando a temperatura em vez da pressão obtêm-se as curvas isotérmicas. Na figura 1 estão representadas algumas curvas isobáricas (gráfico da esquerda) e isotérmicas (gráfico da direita) para a adsorção do vapor de água na sílica gel. A utilidade destas curvas depende de cada utilização particular do adsorvente.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0 20 40 60 80 100 q*  [k g  H2 O /k g  silic a  se ca ] T [⁰C]  .5 kPa 1 kPa 2 kPa 5 kPa 10 kPa 20 kPa 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0 5 10 15 20 25 q* [k g  H2 O /k g  si li ca  se ca ] P [kPa] 10 ⁰C 25 ⁰C 45 ⁰C 65 ⁰C 85 ⁰C

Figura 1 – Curvas de equilíbrio isobáricas (esquerda) e isotérmicas (direita)

Existem ainda outras possibilidades de representar o equilíbrio de adsorção através de curvas de equilíbrio. Na figura 2 e no gráfico da esquerda é possível ver a forma das linhas de concentração constante, que para um gráfico de ln P em função de -1/T aparecem como linhas rectas. Nesta figura aparece também representada a linha de equilibrio líquido-vapor para a água pura, que fica mais à esquerda das linhas de concentração constante.

No gráfico da direita está representada a curva característica do adsorvente, que permite juntar numa só curva todos os estados termodinâmicos de equilíbrio do par sílica-gel e água. A concentração aparece representada como função do potencial de adsorção, que por sua vez depende da temperatura e da pressão. Geralmente esta curva é apenas uma aproximação, pois é frequente existirem fenómenos de histerese em que o comportamento do adsorvente é diferente para a adsorção e para a dessorção, especialmente para concentrações mais elevadas. No entanto, a curva é bastante exacta para valores mais baixos da concentração de água adsorvida, e é esta a zona de interesse quando se trabalha com os ciclos de refrigeração.

400 1080 2916 7873 ‐0.0036 ‐0.0034 ‐0.0032 ‐0.003 ‐0.0028 ‐0.0026 P  [Pa ] ‐1/T [K‐1_] H2O sat C = 0.35 C=0.3 C=0.25 C=0.2 C=0.15 C=0.1 C=0.05 C=0.03 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0 200 400 600 800 1000 q*  [k g  H2 O /k g  si li ca ] A [kJ/kgadsorvato]

Figura 2 – Curvas de equilíbrio de concentração constante (esquerda), e curva característica (direita). A necessidade de prever o comportamento de um processo de adsorção sem ter de recorrer constantemente à experimentação levou ao desenvolvimento de diversas teorias, entre as mais conhecidas surgem a isotérmica de

Langmuir (em que a adsorção está limitada a apenas uma camada de moléculas de adsorvato na superfície), a isotérmica BET (em que se admite que o adsorvente pode formar diversas camadas), e a isotérmica de Gibbs. As duas primeiras são obtidas a partir da cinética de adsorção, enquanto a terceira é derivada a partir de considerações termodinâmicas. Estas curvas de equilíbrio têm em geral uma boa correspondência entre o teor de adsorvato e a pressão do vapor apenas para baixos valores da concentração, pois à medida que caminhamos para concentrações próximas da pressão de saturação ocorre condensação capilar, o que é um processo distinto da adsorção propriamente dita e que provoca uma divergência significativa dos resultados experimentais relativamente às isotérmicas de Langmuir e BET.

Uma teoria adicional permite no entanto representar com algum rigor o processo de adsorção para toda a gama de concentrações. Esta teoria é chamada de teoria do potencial de adsorção, na qual se considera que as moléculas de adsorvato estão contidas em diversas camadas sobrepostas, separadas por superfícies equipotenciais que correspondem a um determinado volume adsorvido. Considera-se que o potencial num ponto é a medida do trabalho que as forças de superfície realizam para trazer uma mole de adsorvato desde o infinito (ou um ponto onde as forças de atracção da superfície não se façam sentir) até à superfície do adsorvente. Esta teoria relaciona o potencial de adsorção (que no caso de o adsorvato poder ser considerado um gás perfeito é dado por

A



RT

ln

P

_sat

P

) com o volume adsorvido, ou em alternativa, com a massa adsorvida. Em termos práticos obtém-se uma única curva que permite calcular a quantidade adsorvida para quaisquer valores de P e de T, uma vez definida correspondência entre o potencial de adsorção e o volume da água adsorvida.

Dependendo do adsorvente, e seguindo o raciocínio da teoria do potencial de adsorção, foram desenvolvidos vários tipos de curvas empíricas que permitem obter o volume ou o teor de adsorvato a partir dos valores da temperatura e da pressão de vapor, para situações de equilíbrio. Um exemplo de uma curva de equilíbrio para o caso da adsorção do vapor de água na sílica gel do tipo A é a equação de Toth:

0 1/ 0

exp[

/ (

)]

{1 [

/

exp(

/ (

)) ] }

ads t t m ads

K

H

RT

q

K

q

H

RT P



_







(1)

em que

q

 é a quantidade ou teor de adsorvato no adsorvente [kg água / kg silica seca],

q

_m representa a capacidade de uma mono-camada de adsorvato,

P

e

T

são respectivamente a pressão e a temperatura do adsorvato, em equilíbrio, na fase gasosa,

R

é a constante universal dos gases perfeitos,

K

₀ é uma constante pré-exponencial, e

t

é uma constante empírica adimensional. Os parâmetros desta equação são determinados a partir de dados obtidos experimentalmente [6].

2.2 Cinética de adsorção

A curva de equilíbrio apenas é útil para determinar a quantidade de adsorvato em situações em que a pressão e a temperatura permanecem constantes. Quando há uma variação de temperatura, de pressão ou ambas simultaneamente, vai haver adsorção ou dessorção (a que corresponderá uma variação da concentração de adsorvato), e a rapidez do processo vai ser condicionada pelas resistências à transferência do calor de adsorção (ou dessorção) e à transferência de massa. No caso de um leito de adsorvente (constituido por pequenos grãos) e no caso em que não há um escoamento forçado, o calor é transferido por condução através da camada de adsorvente. A transferência de massa no interior dos grãos de adsorvente é um processo algo complexo, que segue diversas etapas:

 Caso exista mistura gasosa em que algumas espécies não são adsorvidas, existe difusão externa, no atravessamento da camada-limite que envolve o grão de adsorvente pelas moléculas do adsorvato  Difusão interna através do ligante, no caso de adsorventes heterogéneos, quando o ligante não é ele

próprio adsorvente

 Difusão interna através dos poros do adsorvente

 Adsorção das moléculas de adsorvato na superfície do adsorvente A difusão interna processa-se através de diversos mecanismos:

 Difusão de Knudsen (nos micro-poros, em que o diâmetro do poro é inferior ao livre percurso médio das moléculas de adsorvato)

 Difusão superficial (atraves da camada já adsorvida)

 Escoamento de Poiseuille (quando existem diferenças significativas de pressão significativas no interior dos poros de maior diâmetro)

Existem diversos modelos difusivos do processo de adsorsão que resultam da identificação da principal resistência à transferência de massa, e que resultam da conjugação de um balanço de massa e da lei de Fick para a difusão [2]. No entanto existem situações em que não se justifica o emprego de um modelo muito elaborado, como são os casos em que o processo de adsorção não está limitado pela resistência à transferência de massa mas sim pela resistência à transferência de calor no leito de adsorvente, e nestas situações não se justifica usar um modelo que implique a própria discretização do grão de adsorvente, bastando o modelo de equilíbrio ou um modelo simplificado, por exemplo o modelo LDF (Linear Driving Force), em que se considera que a cinética é dependente do gradiente de concentração entre a concentração actual e a concentração em equilíbrio (para T e P actuais), o que resulta numa equação com a forma seguinte:

(

( ))

dq

k

q

q t

dt



 



(2)

em que

k

é uma constante que representa o coeficiente efectivo de transferência no interior dos poros, e cujo valor reflecte os diversos mecanismos de transferência de massa no interior do grão de adsorvente. Uma aproximação relativamente comum é a seguinte:

2

15

D

e

k

r





(3)

Para além das resistências à transferência de massa no interior dos grãos de adsorvente, existe uma resistência ao escoamento no interior do leito de partículas de adsorvente, que pode ser significativa caso a dimensão do escoamento seja muito superior ao tamanho dos grãos de adsorvente. No caso de a espessura de adsorvente ser pequena, é comum considerar-se que a pressão é constante.

2.3 Entalpia de adsorção

A entalpia de adsorção pode ser determinada experimentalmente, medindo-se indirectamente o calor libertado através da variação da temperatura de um fluido. Pode também ser calculada a partir da equação de Clausius-Clapeyron, se admitirmos que a adsorção é, em termos termodinâmicos, um processo de mudança de fase e que o vapor pode ser considerado um gás perfeito:

ln

(1/ )

ads C const

d

P

h

R

d

T

_



 

(4)

Com esta equação e uma representação gráfica do tipo ln P – 1/T a partir de dados experimentais, calcula-se a entalpia de adsorção directamente a partir da inclinação das linhas de concentração constante.

O calor de adsorção também pode ser calculado por via teórica, considerando-se que o calor de adsorção resulta da soma do calor latente vaporização da água, mais uma entalpia de ligação [8].

2.4 Estabilidade dos adsorventes

Os adsorventes sólidos alteram a sua estrutura com o número de ciclos de adsorção/dessorção. Esta alteração resulta de reacções químicas na superfície interna do adsorvente, que ocasionam um bloqueio dos poros e uma diminuição da superfície específica, o que por sua vez influencia a rapidez com que se dá a adsorção e diminui a capacidade de adsorção. O efeito da temperatura de regeneração na alteração da capacidade de adsorção é tanto mais importante quanto maior for a temperatura de dessorção, pois as elevadas temperaturas favorecem as reacções químicas. De acordo com [8], que cita um outro autor, a redução da capacidade de adsorção da sílica-gel é mais acentuada durante os primeiros 25 ciclos, e após 1300 ciclos com a temperatura de regeneração de

130ºC a diminuição da capacidade de adsorção é de 7%. Esta diminuição da capacidade de adsorção é indesejável, pelo que devem ser escolhidos adsorventes de boa qualidade e o mais estáveis possível.

3 Ciclo de refrigeração por adsorção

O ciclo de refrigeração por adsorção utiliza um par adsorvente-adsorvato num sistema fechado, sistema este constituido por um adsorsor (onde está colocado o adsorvente, e ao qual é fornecido ou retirado calor respectivamente na dessorção ou na adsorção), um condensador (onde se dá a condensação do vapor e simultaneamente é rejeitado calor para o ambiente) e um evaporador (onde se dá a evaporação, e é absorvido calor). No interior do sistema não pode existir mais nenhum gás ou vapor para além da espécie a ser adsorvida, o que implica seja necessário trabalhar com pressões muito inferiores à pressão atmosférica ao nível do mar. O funcionamento do ciclo está esquematizado na figura 3:

De acordo com o esquema da figura 3, e partindo do ponto A, o ciclo de refrigeração pode ser dividido em quatro fases: Aquecimento [A-B], Dessorção [B-F], Arrefecimento [F-D], Adsorção [D-A]. A primeira fase parte do ponto de máxima adsorção, o ponto A. É fornecido calor ao adsorvente, este começa a aquecer sem variar o teor de adsorvato. A pressão no sistema vai aumentando até atingir a pressão de condensação, que é a pressão de saturação para a temperatura do condensador. Quando se atinge o ponto B o vapor começa a condensar no condensador e a pressão permanece constante. Ao continuar a fornecer calor ao adsorvente a pressão constante, o sistema passa à fase de dessorção. A temperatura vai aumentando progressivamente enquanto a pressão permanece constante, o que provoca a libertação de mais vapor, diminuindo a concentração no adsorvente e aumentando a quantidade de água condensada. No final da dessorção inverte-se o fluxo de calor no adsorsor, passando-se a retirar calor, o que provoca o arrefecimento gradual e a diminuição da pressão, permanecendo a concentração de adsorvato constante até se atingir a pressão do evaporador. Ao atingir a pressão do evaporador, o líquido existente no evaporador começa a evaporar, e a sílica vai adsorvendo cada vez mais vapor à medida que se vai retirando calor e a temperatura vai diminuindo, até atingir o ponto A e completar um ciclo. O efeito de refrigeração é obtido apenas na fase de adsorção, através da evaporação do líquido contido no evaporador.

Conc. decrescente [kg H2O / kg silica]

Temperatura (-1/T, T em K) Ln Pres são Equil. líq. / vapor A B C E F D T evap T final ads

T cond T final des

P cond

P evap

Figura 3 – Ciclo teórico de refrigeração por adsorção, constituido por 4 fases: Aquecimento [A-B], Dessorção [B-F], Arrefecimento [F-D], Adsorção [D-A].

4 Frigorífico solar operando com ciclo de adsorsão

A figura 4 mostra um esquema simplificado do modelo de frigorífico solar com o par sílica-gel e água que foi construido na ADAI. O componente principal é o adsorsor, que é também um colector solar, no qual foram colocados 30 kg de sílica. O adsorsor recebe a energia solar durante o dia e perde calor para o ambiente durante a noite. Um condensador permite rejeitar o calor latente de condensação para o ambiente, passando o condensado para o evaporador por gravidade. No evaporador existe uma mistura de água líquida e gelo, o que permite manter a câmara frigorífica a uma temperatura sempre próxima dos 0ºC. O efeito frigorífico é produzido à noite, quando a sílica-gel adsorve o vapor de água no interior do sistema e a pressão baixa até ao ponto de vapor saturado à temperatura do evaporador, o que provoca a evaporação da água líquida no evaporador e arrefecimento devido ao calor latente de evaporação. O sistema funciona com vácuo parcial, apenas com vapor de água, sendo necessário retirar o ar (oxigénio e azoto) do interior do circuito com uma bomba de vácuo quando se constrói a

instalação. É importante que a instalação seja completamente estanque para evitar que haja infiltração de ar, o que acabaria por impedir o funcionamento.

5 1 2 3 6 4

Figura 4 –Esquema do frigorífico solar: (1) Colector solar/adsorsor, (2) Condensador, (3) Reservatório de condensado, (4) Válvula, (5) Evaporador, (6) Caixa frigorífica.

4.1 Adsorsor:

O adsorsor tem uma área de superfície exposta ao Sol de 1 m2 e está colocado de modo a fazer um ângulo de 40º com a horizontal, sendo orientado para Sul para maximizar a radiação solar recebida. Foi construido em chapa de aço inox de 2 mm, tem a forma de uma caixa quadrada de 1 m de lado e com uma altura de 7 cm, e no interior tem diversos compartimentos separados por reforços de aluminio, que também têm a função de alhetas para aumentar a transferência de calor. Dentro do adsorsor estão colocados 30 kg de sílica gel. A figura 5 mostra um corte do adsorsor, onde é visivel a forma como a sílica foi colocada entre as alhetas de reforço e fixa por uma rede metálica apertada com molas, para garantir um bom contacto entre as superfícies de transferência de calor e o leito de sílica gel.

O adsorsor está instalado no interior de um colector solar, isolado dos lados e por baixo com 3 cm de cortiça, e com uma caixa de ar de 2 cm e um vidro de 5 mm na parte exposta ao Sol.

Figura 5 – Corte do adsorsor, mostrando a fixação da sílica gel com molas, de modo a garantir o melhor contacto entre a sílica e as superfícies de transferência de calor. 4.2 Condensador

O condensador é constituido por 7 tubos de cobre com alhetas rectangulares, e é arrefecido a ar. A área total de transmissão de calor (tubos mais alhetas) é de 8.98 m2, e as dimensões são de 0.9 por 0.9 metros, com alhetas de 0.9 por 0.07 metros. A sua colocação por baixo do adsorsor evita que apanhe radiação solar directa, e ficou colocado ligeiramente inclinado de modo a que os condensados escorram por gravidade para o reservatório. 4.3 Depósito de condensados

O depósito de condensados é de aço inox, tem forma cilíndrica, com capacidade para 4 litros, e dispõe de um visor de nível de líquido. Tem a função de armazenar temporariamente o condensado e permitir a medição da quantidade de condensado em cada ciclo. No início da fase de aquecimento a válvula é fechada para que os

condensados fiquem retidos, e no final da dessorção a válvula é aberta, permitindo a passagem do condensado para o evaporador e depois a passagem do vapor do evaporador para o adsorsor.

4.4 Evaporador

O evaporador é uma caixa em aço inox com 45 cm por 45 cm e altura de 15 cm, onde existe uma reserva de água fria e gelo de modo a manter refrigerada a caixa frigorífica por bastante tempo, o que é necessário por dois motivos: o sistema apenas produz frio durante a noite (enquanto o vapor de água está a ser adsorvido na sílica-gel) mas pretende-se manter a caixa frigorífica refrigerada o tempo todo, e por outro lado, pode acontecer mesmo em pleno Verão que durante um ou mais dias o céu esteja encoberto, pelo que é conveniente prever a existência de uma reserva de gelo no evaporador, o que permite manter a temperatura baixa por alguns dias na ausência de radiação solar.

4.5 Dimensionamento do frigorífico solar

Os parâmetros mais relevantes no funcionamento do frigorífico solar são a radiação solar e a temperatura ambiente. A radiação solar elevada permite uma dessorção mais completa, o que significa uma maior capacidade de adsorver vapor na fase de adsorção seguinte, e consequentemente uma maior evaporação, logo uma maior produção de frio. A temperatura ambiente influencia o desempenho de duas maneiras distintas: à noite interessa que a temperatura ambiente seja bastante baixa, de modo a melhorar a transferência de calor do adsorsor para o ambiente, e conseguir adsorver mais vapor de água, obtendo uma maior produção de frio. Durante o dia a temperatura tem 2 efeitos distintos: por um lado interessa uma temperatura elevada para minimizar as perdas de calor do adsorsor para o ambiente e aumentar a dessorção, mas por outro interessa que a temperatura seja baixa para manter a pressão de condensação baixa, o que facilita a dessorção.

É possivel, através de simples considerações de equilíbrio, prever a quantidade máxima de água que é evaporada em cada ciclo, já que a massa de água evaporada corresponde à massa que é adsorvida. Conhecendo a massa de água evaporada pode-se obter facilmente uma estimativa da quantidade de calor retirada ao evaporador bem como estimar um valor para o coeficiente de performance global.

Num dia típico de verão a temperatura ambiente durante o dia anda por volta dos 30ºC, e à noite desce ligeiramente abaixo dos 20ºC. Estimando as temperaturas do condensador em 35ºC durante a condensação, e do adsorsor em 25ºC durante a adsorção, através da curva característica determina-se que a concentração de água na sílica varia entre os 0.1 kg H2O por kg de sílica no final da adsorção até 0.03 kg H2O por kg de sílica no final da dessorção. Para 30 kg de sílica no total, isto equivale a evaporar num ciclo 2.1 kg de água. Definindo um COP global como sendo a energia retirada ao evaporador a dividir pela elergia solar disponível, obtém-se:

evap fg cond p global

m

h

m

C

T

COP

I

A







 





(5)

em que é a massa de água evaporada num ciclo, a entalpia de mudança de fase da água evaporada, a massa de água condensada num ciclo (que é igual à massa de água evaporada, pois a massa total de água no sistema permanece constante), calor específico médio da água condensada, é a diferença de temperatura entre o condensador e o evaporador,

I

representa a energia solar total por unidade de área, e

A

a área do adsorsor exposta à radiação solar. Usando um valor médio de 20 MJ, prevê-se um COP global de aproximadamente 0.25.

As temperaturas diurna e nocturna são um factor muito importante para o desempenho do frigorífico solar, pois interessa que as noites sejam frias de modo a aumentar a quantidade de sílica adsorvida (uma temperatura ambiente abaixo dos 20ºC melhora a transferência de calor do adsorsor para o ambiente, e em termos de equilíbrio de adsorsão, menores temperaturas do adsorvente significam uma maior concentração de adsorvato). Durante o dia a temperatura elevada diminui as perdas térmicas do colector, mas dificulta a condensação (e consequentemente diminui a dessorção do vapor na sílica), pelo que é de esperar que uma temperatura ambiente mais baixa durante o dia melhore o desempenho global.

4.6 Funcionamento do frigorífico solar

O frigorífico solar executa um ciclo intermitente, constituido par 4 fases, que por sua vez correspondem a partes distintas de um dia de 24 horas, como mosta a figura 6. O efeito frigorífico apenas tem lugar durante a noite,

durante a adsorção. No início do dia a válvula do reservatório de condensados é fechada, cortando a comunicação entre o adsorsor e o evaporador. O adsorsor começa a receber a radiação solar, a temperatura e a pressão sobem continuamente enquanto a concentração de adsorvato permanece aproximadamente constante. Este processo dura até meio da manhã. Seguidamente, quando a pressão no interior do sistema atinge a pressão de condensação (pressão de equilibrio líquido/vapor para a temperatura do condensador, que é próxima da temperatura ambiente), altera-se o equilíbrio na sílica-gel e a concentração segue a forma de uma isobárica, em que, com a pressão constante, um aumento da temperatura provoca a desadsorção, ou seja, a diminuição da concentração de água na sílica, e este efeito vai continuar enquanto o adsorsor continuar a receber energia do Sol. O vapor desadsorvido é condensado no condensador, rejeitando calor para o ambiente, e o líquido fica temporariamente acumulado no depósito de condensados. A meio da tarde a radiação solar começa a enfraquecer e o adsorsor está muito quente, pelo que o fluxo de calor inverte-se e o adsorsor começa a perder calor para o ambiente. Começa gradualmente o arrefecimento, a temperatura e a pressão começam a diminuir, a concentração de água na sílica permanece constante, e é nesta altura que a válvula do reservatório é aberta, permitindo a passagem do condensado para o evaporador. Quando o adsorsor arrefece o suficiente para a pressão no interior do sistema atingir a pressão de equilíbrio para a temperatura do evaporador começa a evaporação, e simultaneamente ocorre a adsorção na sílica. O calor de adsorção tem de ser libertado continuamente para o ambiente, e a temperatura do adsorsor tende a aproximar-se da temperatura ambiente no inicio do dia.

Qsolar Qsolar Qarref _Q ads Qevap Qcond 07 - 10 h _{10 - 16 h} 16 - 22 h _{22 - 07 h} Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] Temperatura L n P re ssã o Equilibrio líq./vapor A B C E F D Te Ta Tc Tf Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] Temperatura L n P re ssã o Equilibrio líq./vapor A B C E F D Te Ta Tc Tf Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] Temperatura Ln P re s sã o Equilibrio líq./vapor A B C E F D Te Ta Tc Tf Conc. decrescente [kg H2O / kg silica] Temperatura Ln P re s sã o Equilibrio líq./vapor A B C E F D Te Ta Tc Tf

Figura 6 – Funcionamento do frigorífico solar.

5 Resultados preliminares e simulação

O frigorífico solar foi testado com condições ambientais reais no mês de Março de 2009, em Coimbra, durante vários dias consecutivos com céu limpo. A pressão no interior do sistema foi medida com um sensor tipo “pirani”, as temperaturas foram medidas com termopares, e foi usado um piranómetro para o registo da radiação solar. Os valores destas variáveis foram registados a cada intervalo de 5 minutos. Mediu-se igualmente a quantidade de água condensada em cada ciclo.

5.1 Medições experimentais

O dia em que se conseguiu uma melhor performance apenas resultou em 0.9 kg de água desadsorvida, para uma radiação global numa superfície horizontal de 18.46 MJ/m2 . Apesar da quantidade de água condensada em cada ciclo ficar bastante abaixo do esperado, foi possível concluir que houve produção de gelo no evaporador durante a noite, pois a temperatura na caixa frigorífica desceu aos 0 ºC e manteve-se sempre próximo desse valor durante os dias em que decorreram as medições. O gráfico da figura 7 mostra a evolução das temperaturas ao longo de um ciclo. No início do dia a temperatura no adsorsor sobe muito rápido, o que corresponde à fase de

aquecimento. A partir do final da manhã até cerca das 17 horas a temperatura continua a subir no interior do adsorsor, mas agora mais lentamente, porque na fase de dessorção a sílica vai absorver uma quantidade muito significativa de calor, e as perdas para o ambiente também são mais significativas com o aumento da temperatura. No final da tarde o adsorsor começa a perder calor para o ambiente, o que corresponde à fase do arrefecimento. Durante a noite ocorre a adsorsão do vapor na sílica, o que corresponde a uma libertação de calor no adsorvente, e por essa razão a temperatura do adsorsor é sempre significativamente mais elevada que a temperatura ambiente. No evaporador a temperatura manteve-se sempre próximo dos 0ºC, devido à formação de gelo na fase de adsorção. A temperatura de condensação, medida no centro geométrico do condensador, acompanhou sempre de perto os valores da temperatura ambiente, o que garante que a pressão de condensação é a mais baixa possivel, favorecendo a dessorção.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 07: 02 09: 02 11: 02 13: 02 15: 02 17: 02 19: 02 21: 02 23: 02 01: 02 03: 02 05: 02 07: 02 T  [⁰ C] Tempo [hora local] T placa T ads1 T ads2 T ads3 T amb T cond T evap

Figura 7 – Evolução das temperaturas no frigorífico solar durante um ciclo. T placa – temperatura da placa do colector, T ads – temperatura no adsorvente, respectivamente a 1, 2 e 3 cm da placa, T cond – Temperatura média no condensador, T amb – temperatura ambiente, T evap – temperatura no evaporador.

A figura 8 mostra a variação da radiação solar global para uma superfície horizontal e a pressão no interior do sistema, durante um ciclo. No gráfico da radiação solar percebe-se imediatamente que se tratou de um dia com céu completamente limpo, pois não há perturbações na variação da radiação solar ao longo do dia. A pressão aumenta durante o dia, inicialmente de forma muito acentuada até começar a desadsorver o vapor, mas depois permanece quase constante até começar a fase do arrececimento. à noite a pressão tende para os 612 Pa, que é a pressão de vapor de água a 0ºC, o que confirma a formação de gelo durante a noite.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 07 :0 2 09 :0 2 11 :0 2 13 :0 2 15 :0 2 17 :0 2 19 :0 2 21 :0 2 23 :0 2 01 :0 2 03 :0 2 05 :0 2 Ggl o b al   [W /m 2sup.  ho ri zo nta l] Tempo [hora local] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 07:02 09:02 11:02 13:02 15:02 17:02 19:02 21:02 23:02 01:02 03:02 05:02 P  [P a] Tempo [hora local]

Figura 8 – Radiação global numa superfície horizontal e pressão no interior do sistema, durante o ciclo. Em termos de performance, para o dia em que a água condensada teve o valor de 0.9 kg, O COP global, calculado através da equação 4, dá um valor de 0.12. Entretanto a quantidade de água desadsorvida foi decaindo nos dias seguintes, o que levou a supor que houvesse problemas técnicos com o adsorsor. Como foram usados silicones na vedação, pensou-se que estes começassem a libertar vapores, o que degradou a performance, pois estes vapores vão contribuir para elevar a pressão no interior do sistema, o que impede a condensação do vapor. Decidiu-se após vários dias de teste desmontar o adsorsor e substituir a vedação. O frigorífico solar vai ser

novamente testado durante os meses de Junho e até Setembro, esperando-se uma melhoria significativa do desempenho. Alguns testes à sílica-gel utilizada permitiram concluir que o tipo utilizado perde rapidamente a capacidade de adsorção, pelo que também é conveniente procurar outro fabricante.

5.2 Simulação

Foi desenvolvido um programa de computador para simular o funcionamento do frigorífico solar. O programa simula o funcionamento dos diversos componentes e calcula o COP global, bastando introduzir os dados ambientais (temperatura e radiância). Depois de efectuar os ajustes necessários com a ajuda de dados experimentais fiáveis, o programa permitirá estudar a influência de parâmetros geométricos e ambientais, de modo a maximizar a performance ou simular utilizações específicas do ciclo de refrigeração por adsorção. Para determinar a temperatura em cada ponto do leito de adsorvente resolve-se numericamente uma versão bi-dimensional da equação de conservação da energia em coordenadas cartesianas (equação 6).





2 2 2 2 p silica ads

T

T

T

dq

C

k

h

t

x

y

dt









_









_







_





_

(6)

(



C

_p

)

e

k

adquirem propriedades médias no meio adsorvente. O último termo representa a energia libertada ou absorvida respectivamente na adsorsão e na dessorção do vapor de água na sílica gel, e

dq dt

/

é a variação da concentração de adsorvato na sílica gel (kg H2O / kg de sílica seca) em função do tempo, e que resulta da adopção de um modelo linear para representar o processo de adsorção, que é aproximado pela equação (1). Caso a massa volúmica da sílica não contemple a porosidade do leito de grãos de sílica gel, então é necessário multiplicar o último termo da equação (6) por um valor representativo da porosidade do leito de grãos de sílica. Geralmente os fabricantes de sílica gel definem a densidade do leito de sílica como sendo a densidade aparente, que tem sempre um valor mais baixo que a densidade dos grãos individuais, e depende do tamanho e forma dos grãos.

5.2.1 Condições de fronteira:

Devido à simetria de uma célula de adsorvente, apenas meia célula necessita de ser calculada, considerando-se condições adiabáticas no plano de simetria, na separação entre duas células e no plano de baixo, e um fluxo de energia conhecido na parte superior, que corresponde à placa do adsorsor, tal como esquematizado na figura 9. O fluxo de energia nesta face resulta da diferença entre a radiação solar efectivamente recebida pela superfície que recebe o fluxo de calor e as perdas para o ambiente, segundo uma metodologia descrita em [1] para os colectores solares planos. Durante a noite apenas há perdas para o ambiente, pois não há radiação solar.

Nos cálculos considera-se que a célula de cálculo inclui além da sílica gel, também meia alheta de alumínio e também a placa de aço inox, pois estes elementos são muito importantes na transmissão de calor de e para a sílica gel.

INOX

ALUMINIO

dT/dx = 0 dT/dx = 0

fluxo de calor conhecido q [W/m2]

dT/dy = 0

X Y

A pressão no interior do sistema é limitada pela pressão no condensador durante a dessorção e pela pressão no evaporador durante a adsorção. Nos períodos de aquecimento e de arrefecimento a pressão adquire valores intermédios, podendo ser calculada a partir da equação de Clapeyron, uma vez que a concentração permanece constante: 2 1 2 1

1

1

ln

p

h

ads

p

R

T

T











 



















(7)

Para usar esta equação considera-se que o sistema evolui do estado

p T

1

,

1 para o estado

p T

2

,

2 sem que haja

uma variação da quantidade de água presente na sílica gel. Conhecendo o estado inicial, a entalpia de adsorção e a temperatura

T

₂ é possível determinar a pressão

p

₂.

No condensador e no evaporador é efectuado um balanço energético e de massa, de modo a determinar no evaporador a quantidade de gelo e de líquido presentes, e no evaporador a temperatura média e a quantidade de água condensada.

Apesar de faltar acertar alguns pormenores no programa, faltando dados experimentais mais fiáveis para comparar os resultados, o cálculo das temperaturas da figura 7 bem como a pressão no interior do sistema coincidem bastante bem, mas o COP tem valores superiores, bem como a quantidade de água desadsorvida. Isto também ajuda a concluir que houve um problema técnico com a sílica gel que provoca uma diminuição da capacidade de adsorção de vapor de água.

1 Conclusões

Foi testado com relativo sucesso um frigorífico solar funcionando com um ciclo de adsorção. As medições entretanto efectuadas ao frigorífico solar apresentam valores do COP definido pela equação (5) inferiores ao esperado, mas a performance degradou-se rapidamente, e alguns testes à silica-gel retirada do adsorsor mostraram uma degradação muito significativa da capacidade de adsorsão. Concluiu-se que a degradação da sílica se deveu a alguns materiais empregues na vedação, que com a temperatura elevada no adsorsor libertaram vapores, alguns dos quais foram fortemente nocivos para a sílica.

O frigorífico solar está a ser preparado para uma nova campanha de medições, agora com uma vedação do adsorsor isenta de silicones, e espera-se que desta vez seja possível obter um funcionamento sem problemas. Espera-se também uma melhoria significativa da quantidade de água desadsorvida e do COP. O programa de simulação irá por sua vez permitir uma optimização da quantidade de adsorvente, da geometria do adsorsor e eventualmente dos restantes componentes, esperando-se poder depois introduzir essas alterações na instalação de modo a comprovar a sua eficácia.

6 Referências

1. J. A. Duffie, W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, 3rd ed., John Wiley & Sons, New Jersey, 2006

2. D. M. Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption Processes, John Wiley & Sons, New York, 1984 3. S. V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, McGraw Hill, 1980

4. T. Núñez, Charakterisierung und Bewertung von Adsorbentien für Wärmetransformationsanwendungen, Dissertation, Albert Ludwigs Universität, Freiburg im Breisgau, 2001

5. J. Mayor, P. Dind, Construction et test d’un réfrigérateur solaire à adsorption transportable, Office Fédéral de l’Énergie OFEN, Switzerland 2002.

6. X. Wang, W. Zimmermann, K. C. Ng, A. Chakraboty e J. U. Keller, Investigation on the isotherm of silica gel + water systems, Journal of thermal analysis and calorimetry, Vol. 76 (2004) 659 – 669

7. T. Núñez, HM. Henning, W. Mittelbach, Adsorption cycle modeling: characterization and comparison of materials, International Sorption Heat Pump Conference 1999. Proceedings. ZAE Bayern, 1999, pp. 209-217 8. A. Hauer, Beurteilung fester Adsorbentien in offenen Sorptionssystemen für energetische Anwendungen,