PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA - Mestrado - Doutorado
Estudo experimental e teórico de um resfriador de
água por adsorção usando energia solar
Herbert Melo Vieira
Tese de Doutorado apresentada à Universidade Federal da
Paraíba
Herbert Melo Vieira
Estudo experimental e teórico de um resfriador de
água por adsorção usando energia solar
Tese de Doutorado apresentada ao
Programa
de
Pós-Graduação
em
Engenharia Mecânica da Universidade
Federal da Paraíba, em cumprimento às
exigências para obtenção do Grau de
Doutor.
Orientador : Professor Dr. José Maurício A. M. Gurgel
V657e Vieira, Herbert Melo.
Estudo experimental e teórico de um resfriador de água por adsorção usando energia solar / Herbert Melo Vieira.-- João Pessoa, 2013.
135. : il.
Orientador: José Maurício A. M. Gurgel Tese (Doutorado) – UFPB/CT
1. Refrigeração. 2. Chiller adsortivo. 3. Sílica gel. 4. Energia solar
DEDICATÓRIA
DEDICATÓRIA
DEDICATÓRIA
DEDICATÓRIA
Aos meus pais Cirilo Vieira
Filho e Maria do Socorro Melo
Vieira, a minha irmã Hérica Melo
Vieira e a minha grande
Agradecimentos
Agradecimentos
Agradecimentos
Agradecimentos
Aos meus pais Círilo Vieira Filho e Maria do Socorro Melo Vieira pelo
incentivo e apoio, a minha irmã Hérica Melo Vieira, a Paulo e em especial à Carla
Silva de Lima.
Ao Prof. JOSÉ MAURÍCIO GURGEL, pela orientação e os ensinamentos
ministrados e, sobretudo, pela amizade e estímulo às minhas atividades
acadêmicas. Aos alunos Cícero Herbert, Joselma Araújo, Márcio Gomes, Márcia,
Suerda, João, Rômulo, aos funcionários Ernane Alves, João de Deus, Sérgio
Marques, Geraldo, José Carlos, Eliane, Antônio, Teresinha, Célia e Cícero, pela
amizade e apoio, e a todos os professores do Centro de Energias Alternativas e
Estudo experimental e teórico de um resfriador de
água por adsorção usando energia solar
RESUMO
O respectivo trabalho de tese visa desenvolver um sistema de refrigeração que utiliza um chiller adsortivo para resfriamento de água e posterior uso desta água fria para climatização de ambiente, verificando teoricamente e experimentalmente o desempenho do sistema de refrigeração por adsorção, estes dispositivos apresentam várias vantagens, entre elas, o uso de energia limpa, como a solar. O Brasil é um país que apresenta grande índice de insolação, com uma capacidade média de 16 a 20 MJ/ano/h, desta forma torna-se bastante propício o aproveitamento desta energia, além de estar contribuindo para a redução do consumo de combustíveis fósseis e redução de gases nocivos ao meio-ambiente. O sistema proposto é composto por coletores solares planos, que são usados para converter a energia solar em térmica, sendo está última transferida para um fluido térmico que circula pelo coletor que posteriormente é armazenado em um boiler, podendo este fluido térmico, ser usado sempre que necessário para o aquecimento do leito adsortivo de um chiller, sendo este leito adsortivo composto por dutos aletados na forma anular envolvidos com o adsorvente (sílica gel). Muitos trabalhos vem sendo desenvolvidos com o intuito de aumentar o desempenho destes sistemas, estes estudos estão concentrados basicamente no aumento da transferência de massa e calor dos leitos adsortivos e utilização de sistemas que funcione continuamente através do uso de dois leitos adsortivos que trabalham em fases diferentes. Ensaios experimentais com leitos porosos apresentando configurações diferentes foram realizados, observando deste modo, qual apresentaria maiores taxas adsortivas, sendo posteriormente aplicada esta configuração na construção do leito
poroso do chiller adsortivo. Um modelo computacional foi desenvolvido permitindo verificar teoricamente o desempenho do sistema.
Experimental and theoretical study of an adsorption
chiller water by using solar energy
Abstract
The respective thesis aims to develop a cooling system that uses an adsorptive chiller for cooling water and subsequent use of this cold water for air conditioning environment, theoretically and experimentally verifying the performance of adsorption refrigeration system, these devices have several advantages, among them, the use of clean energy such as solar. Brazil is a country with high rates of stroke, with an average capacity 16-20 MJ / year / h, so it becomes quite conducive to harnessing this energy, and to be contributing to the reduction of fossil fuel consumption and reduction of harmful gases to the environment. The proposed system consists of flat solar collectors, which are used to convert solar energy into thermal, being last transferred to a heat transfer fluid that circulates through the collector which is then stored in a boiler, or a thermal fluid, to be used whenever required for heating the bed adsorptive a chiller, which is composed of bed adsorptive the finned annular ducts involved with the adsorbent (silica gel). Many studies have been developed with the aim of increasing the performance of these systems, these studies have focused primarily on increasing the mass transfer and heat of adsorption beds and using systems which run continuously through the use of two adsorption beds which work in different phases . Experimental studies in porous beds featuring different configurations were performed, observing thus which present higher rates adsorbent, and subsequently applied this setting in the construction of the porous bed adsorptive chiller. A computational model was developed theoretically allowing you to check your system's performance.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 20
CAPÍTULO I 1.1 Motivação ... 20
1.2 Objetivo ... 23
1.3 Objetivo específico ... 23
1.4 Descrição dos capítulos ... 24
1.5 Revisão bibliográfica ... 24
CAPÍTULO II FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 31
2.1 Fontes de energia ... 31
2.2 Energia e meio ambiente ... 32
2.3 Energia renovável ... 34
2.4 Radiação solar ... 34
2.4.1 Constante solar e radiação extraterrestre ... 34
2.4.2 Coletor solar ... 36
CAPÍTULO III FUNDAMENTOS SOBRE ADSORÇÃO ... 38
3.1 Fenômeno da adsorção ... 38
3.2 Tipo de adsorção ... 39
3.3 Classificação dos poros ... 40
3.4 Termodinâmica e isortemas de adsorção ... 41
3.5 Tipos de adsorventes ... 46
CAPÍTULO IV
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO ... 50
4.1 Princípio de funcionamento ... 50
4.2 Modelagem matemática ... 52
4.2.1 Fluxo de radiação solar sobre o coletor solar plano ... 52
4.2.2 Reservatório térmico ... 65
4.3 Considerações no processo adsortivo/dessortivo no leito poroso ... 67
4.4 Calor de sorção no leito poroso ... 68
4.5 Modelo para o chiller adsortivo ... 71
4.6 Modelo para o condensador ... 78
4.7 Modelo para o evaporador ... 81
4.8 Algoritmo para solução numérica do modelo do sistema de refrigeração ... 84
CAPÍTULO V CINÉTICA ADSORTIVA EM LEITOS POROSOS ... 88
5.1 Reatores utilizados no estudo da cinética de adsorção ... 88
5.2 Procedimentos ... 89
5.3 Montagem do protótipo chiller adsortivo ... 95
CAPÍTULO VI RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 99
6.1 Resultados experimentais com os reatores adsortivos ... 99
6.2 Resultados da simulação do sistema refrigerativo ... 108
6.2.1 Sistema de aquecimento de água ... 111
6.2.2 Resultado da simulação para um leito adsortivo ... 116
6.3 Resultado Experimentais chiller adsortivo ... 120
7. Conclusões ... 126
8. Referências Bibliográficas ... 129
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Coletor solar plano ... 37
Figura 3.1 - Classificação do tamanho do poro segundo a União Internacional de Química Pura e Aplicada – IUPAC, 1982 ... 40
Figura 3.2 - Isoterma de adsorção classificada por BRUNAUER et al.(1938) ... 42
Figura 4.1 - Esquema de um sistema de refrigeração por adsorção ... 50
Figura 4.2 - Diagrama de Clapeyron para um ciclo ideal de adsorção/dessorção ... 51
Figura 4.3 - Declinação ... 55
Figura 4.4 - Ângulos solares derivados (ARRUDA, 2004) ... 60
Figura 4.5 - Desempenho esquemático da conexão placa tubo ... 65
Figura 4.6 - Coletor solar acoplado a um boiler ... 71
Figura 4.7 - Leito adsortivo/dessortivo proposto ... 71
Figura 4.8 - Dimensões da aleta anular proposta ... 72
Figura 4.9 - Eficiência para aletas anular de seção retangular ... 73
Figura 4.10 - Representação do condensador ... 78
Figura 4.11 - Seção transversal do condensador ... 80
Figura 4.12 - Representação do evaporador ... 82
Figura 5.1 - Reatores usados no estudo experimental da cinética adsortiva ... 89
Figura 5.2 - Distribuição dos sensores ao longo do reator ... 90
Figura 5.3 - Sensores de Platina dentro dos dutos ... 90
Figura 5.4 - Balança digital e módula para aquisição de dados ... 91
Figura 5.5 - Sílica gel azul usada para os experimentos ... 91
Figura 5.6 - Controlador de temperatura d’água e recipiente com água ... 92
Figura 5.7 - Medidor de vácuo, sensor de platina e reator adsortiva ... 93
Figura 5.8 - Bomba de vácuo e leito adsortiva ... 93
Figura 5.9 - Esquema dos protótipos usados para os experimentos ... 94
Figura 5.10 - Leito poroso do chiller adsortivo ... 95
Figura 5.11 - Reator com o leito poroso em seu interior ... 96
Figura 5.13 – Equipamento para aquisição de dados e aquecimento e resfriamento do leito
Figura 6.1 - Taxa adsortiva entre dois tipos de sílica gel ... 100
Figura 6.2 - Reator com fluxo radial de adsorbato com entrando pela extremidade ... 101
Figura 6.3 - Reator com fluxo radial de adsorbato entrando pela parte central ... 102
Figura 6.4 - Início do processo adsotivo com reator fluxo radial ... 102
Figura 6.5 - Concentração no reator com fluxo radial entrada extremidade e parte central Figura 6.6 - Reator com fluxo axial de adsorbato entrando pela extremidade ... 104
Figura 6.7 - Reator com fluxo axial de adsorbato entrando pela parte central ... 104
Figura 6.9 - Início do processo adsotivo com reator fluxo axial entrada pela parte central ... 105
Figura 6.10 - Concentração no reator com fluxo axial entrada extremidade e parte central Figura 6.11 - Reator metade do volume preenchido e adsorbato entrando pela parte central ... 107
Figura 6.12 - Comparação da taxa adsortiva entre os reatores adsortivos estudados ... 108
Figura 6.13 - Comparação resultado simulado e experimental ... 109
Figura 6.14 – Comparação resultado simulado e experimental ... 109
Figura 6.15 - Radiação solar simulada e medida na Estação Automática no dia 14/02/2013 ... 110
Figura 6.16. - Comparação temperaturas simuladas e medidas no dia 10/09/2009 da água ... 111
Figura 6.17 - Radiação solar incidente no coletor plano no dia 15/02/2013 simulado .... 112
Figura 6.18 - Variação da temperatura da água no reservatório com a vazão ... 113
Figura 6.19 - Variação da eficiência do coleto solar com a vazão ... 113
Figura 6.20 - Variação eficiência com a temperatura média da água no coletor solar ... 114
Figura6.21 - Tempo necessário para atingira temperatura de trabalho ... 114
Figura 6.22 - Influência da temperatura do fluido térmico no processo adsortivo/dessortivo ... 116
Figura 6.23 - Variação da potência frigorífica com a temperatura do leito poroso ... 117
Figura 6.24 - Influência da temperatura do condensador na potência frigorífica... 118
Figura 6.25 - Variação do COP com a temperatura do leito adsortivo ... 118
Figura 6.26 - Variação da área de troca térmica do leito ... 119
Figura 6.27 - Concentração de adsorbato em função da área de troco de calor ... 119
Figura 6.29 – Temperatura no leito poroso durante a saturação ... 121
Figura 6.30 – Temperaturas experimentais no leito poroso ... 121
Figura 6.31 - Temperatura leito poroso variando o tempo ... 122
Figura 6.32 – Massa de adsorbato condensada ... 123
Figura 6.33 – Diagrama pressão x temperatura ... 125
Figura 6.34 – Temperatura evaporador e leito poroso ... 125
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Caracteristícas da adsorção Física e Química ... 39
Tabela 3.2 - Estrutura e área dos Adsorventes ... 47
Tabela 6.1 - Dados usado na simulação numérica ... 115
NOMENCLATURA
Ai - Área inferior do coletor solar [m2]
Atotal- Área total de aletas [m2]
A(S) - Adsorbato no interio do sólido adsorvente
Aadsorbatoagua - Área de troca térmica entre o adsorbato e a água a ser resfriada [m2]
Aadsorvido - Adsorbato no interior do sólido adsorvente
Ac - Área do coletor [m2]
Acoletor - Área do coletor solar [m2]
Acond.água -Área entre o condensador e a água [m2]
AS - Área da abertura a qual a placa absorvedora recebe irradiação do coletor [m2]
Acol - Área unitária do coletor solar [m2]
Β - Ângulo de inclinação do coletor solar [grau]
C - Comprimento do coletor [m]
Cadsorbat o - Capacidade térmica do adsorbato [kJ/kg.ºC]
Cadsovente - Capacidade térmica do adsorvente [kJ/kg.ºC]
Cleito - Capacidade térmica do leito [kJ/kg.ºC]
cp.água - Calor específico da água [kJ/kg]
cp.cond. - Calor específico do condensador [kJ/kg]
cp.leito - Calor específico do leito poroso [kJ/kg]
cpadsobato - Calor específico do adsorbato [kJ/kg]
Cp- Calor específico do fluido a pressão constante [kJ/kg .ºC]
cpcond - Calor específico do condensador [kJ/kg]
Cb - Condutância da conexão do duto com a placa coletora [kJ/m ºC]
Cleito - Capacidade térmica do leito [kJ/ºC]
Cadsovente - Capacidade térmica do adsorvente [kJ/ºC]
Cadsorbat o - Capacidade térmica do adsorbato [kJ/ºC]
D - É uma constante que vale
n
E R
Dint. - Diâmetro interno do duto [m]
E – Energia [kW]
etub.- Espessura do duto [m]
FR - Fator de remoção de calor do coletor
Ffator - Fator de Forma geométrico [adimensional]
F - Fator de eficiência da aleta Gcs - Constante solar [W/m2]
Gr - Radiação extraterrestre [W/m2]
hconv.cond - Coeficiente de convecção no condensador [W/m2.K]
hcp - Coeficiente de contato térmico entre a placa/leito poroso obtido experimentalmente
hd - Hora do dia
hs - Entalpia de sorção [J/kg]
hv - É o coeficiente de transferência de calor do vento [W/m2.K]
It -Energia solar incidente no plano coletor [W/m2]
KA - Constante de velocidade de adsorção
Kd - Constante de velocidade de dessorção
kiso - condutividade térmica do isolamento [W/m2.K]
kiso - condutividade térmica do isolamento [W/m.ºC]
k - Condutividade Térmica [26,3.10-3 W/m.K] kaletado- Condutividade térmica do duto [kJ/m2.°C]
Liso - espessura do isolamento [m]
Liso - espessura do isolamento [m]
Ls - Calor latente de solidificação do fluido a ser resfriado [kJ/kg]
Lvl - Calor latente de condensação do adsorbato [J/kg]
LA- Comprimento a aleta [m]
LD - Comprimento do duto [m]
LC - Calor latente de condensação do adsorbato [kJ/Kg]
madsorvente - Massa de adsorvente [kg]
mcond - Massa do condensador [Kg]
mEV - Massa do evaporador [Kg]
- Vazão do fluido térmico [kg/s]
- Vazão mássica [kg/s]
Madsorbato - Massa de adsorbato [kg]
Madsorbato - Massa do adsorbato no evaporador [kg]
Madsorvente - Massa adsorvente [kg]
Mágua - Massa de água a ser resfriada [kg]
Mcond. - Massa do condensador [kg]
Mleito - Massa do leito poroso [kg]
mp - massa da placa absorvedora [kg]
Madsorbato - Massa de adsorbato [kg]
Madsorvente - Massa adsorvente [kg]
- Variação da massa de adsorbato condensada [kg/s]
- Variação da massa de adsorbato condensada [Kg/s]
- Variação da massa do adsorbato no evaporador [kg/s]
n - Constante da equação de Dubinin - Astakhov que depende do adsorvente utilizado (para a sílica gel n = 1)
Nc - Número de cobertura
nd - Número do dia do ano
Nc - Número de cobertura
Ps - Pressão de saturação do adsorvente a temperatura do leito poroso [kPa] Pf.ev -Potência frigorífica estimada no evaporador [W]
- Taxa de energia absorvida pela água [W]
Qs - Calor de sorção [W]
Rt.aleta - Resistência térmica da aleta [m2.K/W]
Rcond.tubo - Resistência térmica da parede do duto [m2.K/W]
Rcon.ft. - Resistencia térmica do fluido térmico [m2.K/W]
Rtotal - Resistência térmica total [m2.K/W]
R - Constante universal dos gases [kJ/kg.K] Re - número de Reynolds
rd - Raio interno do duto [m]
t -Tempo [s]
Tadsorbato - Temperatura do adsorbato [K]
Tadsorbato – Temperatura do adsorbato [K]
Tágua - Temperatura da água [K]
Tágua - Temperatura da água de resfriamento [K]
Tcéu -Temperatura do céu [K]
Tcéu - Temperatura do céu [K]
Tcond - Temperatura do condensador [K]
Tleito - Temperatura do leito poroso [K]
Tma - Temperatura média anual [K]
Tov - Temperatura de orvalho [K]
Tp- Temperatura da placa [K]
agua adsorbato
U . - Coeficiente de perdas do adsorbato para a água a ser resfriada [W/m2. K] amb
adsorbato
U . - Coeficiente de perdas do adsorbato para o ambiente [W/m2. K]
Ucond- Coeficiente global de troca térmica no codensador [kJ/°C.m2]
Tcond. - Temperatura do condensador [°C]
Tf.luido - Temperatura do fluido para resfriamento do condensador [ºC]
Tfte - Temperatura do fluido térmico na entrada [°C]
Tfts - Temperatura do fluido térmico na saída do leito poroso [ºC]
Tleito (t) - Temperatura do leito poroso [ºC]
Te - Temperatura do fluido na entrada do coletor [ºC]
Tamb. - Temperatura ambiante [ºC]
Tmp - Temperatura média do absorvedor [ºC]
Tleito - Temperatura do leito poroso [ºC]
Tágua - Temperatura da água a ser resfriada [ºC] η0- Eficiência das aletas
UL- Coeficiente global de perdas de calor [W/m2.K]
Ui - coeficiente de perdas pela parte inferior do coletor [W/m2.K]
Ui - coeficiente de perdas pela parte inferior do coletor [W/m2.ºC]
X - Concentração no leito poroso [Kg de adsobato/Kg de adsorvente]
Us - Coeficiente de troca de calor entre o gelo e o adsorbato [W/m2. K]
UT.coletor - Coeficiente de perdas total no coletor solar [W/m2.K]
V - Velocidade média do vento [3,5 m/s]
Valetas - Volume ocupado pelas aletas [m3]
W0 - Constante da equação de Dubinin-Astakhov
LETRAS GREGAS
εp - Emitância da Placa absorvedora
εv - Emitância do vidro
ε - Emissividade da placa absorvedora [0,9 adimensional] σ - constante de Stefan Boltzmann [5,669.10-8 W/m2.K] ρ(t) -massa especifica do adsorbato [kg/m3]
- Produto entre a transmitância do vidro e a absorbância da placa [0,88]
υ - viscosidade cinemática [15,82.10-6 m2/s]
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO
Atualmente o mundo está voltado para a preservação e renovação do meio ambiente, buscando utilizar fontes alternativas de energia que sejam ecologicamente correta, como a energia solar. O aproveitamento desta energia apresenta diversos benefícios por ser uma energia, limpa, confiável, segura, gratuita, silenciosa e livre de qualquer poluição. A energia solar que atinge a Terra chamada de insolação (ou Irradiância Solar), na realidade, uma medida da potência instantânea que atinge uma determinada área na Terra [W/m2], podendo variar ao longo do tempo, seu valor máximo é
intermitente), caso o leito poroso seja aquecido diretamente pela radiação solar, o que limita muito a produção do efeito frigorífico.
Os sistemas de adsorção utilizados para refrigeração são estudados há muitos anos e muitos refrigeradores já foram construídos e testados mostrando que estes sistemas são viáveis para climatização de ambientes em determinadas condições. Os primeiros trabalhos experimentais dedicados à refrigeração, com sistemas adsortivos, foram realizados por Tchernev (1979) e Guilleminot et al. (1980), que construíram protótipos usando o par
zeolita/água. O par sílica gel/água foi em seguida testado por Vodianitskaia e Klüppel (1984), Klüppel e Gurgel (1987). Para a produção de gelo tais sistemas apresentaram dificuldades, em consequência da limitação física que a água impõe ao sistema, ou seja, a temperatura mínima que pode ser atingida corresponde ao ponto triplo. Para contornar este problema, outros pares frigoríficos foram estudados sendo o carvão ativado/metanol usado com resultados promissores por Boubakri et al. (1985), Passos (1986) e Pons e Grenier
(1986, 1987) dentre outros. Vale ressaltar, que uma das mais promissoras possibilidades para a utilização da energia solar em sistemas de refrigeração é a adsorção sólida. A sua utilização é frequentemente associada a aplicações relativas a desumidificação, filtragem e separação de substâncias orgânicas, sobretudo na indústria petroquímica. Nos últimos anos, tem sido observado um grande aumento nos estudos da aplicação da adsorção sólida com fins de obtenção de frio (LE VAN, 1998). Os sistemas atuais utilizam água como refrigerante e sílica gel como a substância adsorvedora, são compostos basicamente de dois compartimentos com estas substâncias adsorvedoras, o evaporador e o condensador. Enquanto a substância adsorvedora do primeiro compartimento é regenerada usando a água quente da fonte externa de calor (boiler), a substância adsorvedora do segundo compartimento adsorve o vapor de água vindo do evaporador à medida que for resfriando, após atingir a temperatura próxima da ambiente inicia-se um novo ciclo o leito que estava aquecendo é resfriado e o outro é aquecido. Os chiller adsortivos que apresentam um bom desempenho são mais caros, pesados e ocupam mais espaço quando comparados aos de absorção (HENNING, 2005). Estes chillers trabalham sob condições típicas de operação, com uma temperatura de calor de aproximadamente, 80°C, estes sistemas apresentam um COP de aproximadamente 0,60.
(diâmetro do poro menor que 4 nm) a adsorção ocorre no interior de canais de dimensões moleculares e não apenas em mono ou multicamadas sobre a superfície do sólido, como ocorre quando este sólido apresenta meso ou macro poros (poros maiores que 4 nm). No processo de adsorção, os microporos do adsorvente são preenchidos com moléculas do adsorvato, sem que haja mudança em seu volume. Em um sistema de refrigeração por adsorção, o adsorvente contido em um reator tem seus microporos preenchidos pelos vapores do refrigerante saturado provenientes do evaporador. A vaporização do refrigerante no evaporador ocasiona o efeito frigorífico desejado.
Em 2003 Lima afirmou que, o coletor é o equipamento responsável pela captação da energia proveniente do sol e conversão em energia utilizável. A placa absorvedora tem a função de converter a energia radiante em calor, transferi-la para as tubulações e em seguida, para o fluido térmico que é utilizado para fornecer energia para o leito poroso do chiller promovendo a regeneração do adsorvente. As placas e as tubulações são construídas com metais de alta condutividade térmica. A cobertura transparente, geralmente feita de vidro comum ou policarbonato, reduz as perdas radiativas e convectivas da placa absorvedora, sendo responsável pelo efeito estufa ao refletir de volta a radiação infravermelha para a placa. De acordo com Lima as vantagens na utilização de coletores solares planos em comparação aos demais tipos de coletores está na simplicidade de construção, baixo custo, nenhuma parte móvel, certa facilidade de reparo e uma boa durabilidade, o coletor solar é o componente mais importante do sistema de aquecimento solar. É ele o responsável pela conversão da energia solar em energia térmica. Portanto, um dos fatores mais críticos para o bom funcionamento de um sistema é a qualidade dos coletores solares empregados. Os coletores solares devem ser bem construídos para funcionar bem nas mais diversas faixas de temperatura de operação, o que caracteriza a sua eficiência. Para isso algumas características de construção da placa absorvedora e do gabinete devem ser observadas.
ambiente garantindo que as variações atmosféricas afetem da maneira mais amena possível a conversão de energia solar em energia térmica. O gabinete é composto basicamente por:
• Caixa Externa
• Isolamento
• Cobertura (Vidro)
A caixa do coletor solar deve ser feita em material resistente a corrosão e com rigidez mecânica suficiente para garantir a integridade estrutural do equipamento. As caixas podem ser feitas em chapa dobrada de aço galvanizado ou de alumínio, com perfis e chapas de alumínio, moldadas em plástico, etc.
O isolamento deve garantir que o calor gerado pela placa coletora não seja perdido pela caixa, ou seja, que o calor gerado seja transferido integralmente para o fluido térmico. O isolamento do gabinete deve inibir as perdas pelas laterais do coletor e pelo fundo. Existe diversos materiais que podem ser utilizados no isolamento dos coletores. Os mais comuns são lã de Rocha, lã de vidro e poliuretano expandido.
O vidro é um componente muito importante do sistema. Ele deve permitir a entrada da energia solar no coletor e garantir a vedação do coletor promovendo o efeito estufa.
1.2Objetivos gerais
Um dos objetivos deste trabalho é montar uma bancada experimental de um sistema de refrigeração que utiliza um chiller adsortivo funcionando continuamente e que seja capaz de apresentar resultados satisfatórios com uma baixa fonte de calor, verificando desta forma o desempenho do sistema através do poder frigorífico alcançado e do coeficiente de performance (COP). Desenvolver um modelo matemático que represente com grande aproximação os resultados experimentais.
1.3Objetivos específicos
1.4Descrição dos Capítulos
Em seguida resumidamente é apresentada uma descrição geral dos próximos capítulos desta tese. No capítulo II é apresentado à revisão bibliográfica onde são mostradas algumas aplicações do sistema de refrigeração por adsorção utilizando chiller adsortivo, assim como algumas modificações propostas por estes autores para aumentar as taxas adsortivas/dessortiva e o desempenho do sistema de refrigeração por adsorção. No capítulo III tem os fundamentos sobre adsorção, tipos de fonte de energia renovável, dados referentes à energia solar, e a intensidade da radiação solar que incide na superfície terrestre. Capítulo IV descreve o princípio do funcionamento do sistema de refrigeração por adsorção, considerações para o processo adsortivo/dessortivo no leito poroso, modelo do chiller adsortivo proposto, modelagem matemática que simula um sistema de refrigeração por adsorção. No capítulo V é apresentado os tipos de reatores utilizados no estudo da cinética adsortiva, equipamento utilizados, procedimentos adotados, descrição da montagem do protótipo do chiller adsortivo. Capítulo VI são apresentados os resultados e discussões dos experimentos e simulações obtidos e as conclusões do trabalho.
1.5Revisão bibliográfica
performance (COP) e a potência frigorífica são os principais parâmetros de comparação entre os experimentos.
Segundo Oliveira op cit. (2004), existem duas maneiras de se obter frio através do uso de sistemas de refrigeração por adsorção e energia solar, um dele utilizando um coletor solar plano que funciona empregando unicamente a energia solar de forma direta e não contínuo, no entanto tem a desvantagem de possuir baixa eficiência em relação aos sistemas de refrigeração por compressão. Outra forma é utilizar coletores com concentradores solares que aquecem um fluido térmico que é posteriormente usado como fonte energética em um sistema de refrigeração por adsorção, este último método apresentam eficiência maior que um de acordo com experimentos realizados por Douss e Meunier (1989). Produzir frio utilizando a energia solar é uma boa alternativa para países que tem um elevado potencial de energia solar, o que contribui para o desenvolvimento sustentável, pois a energia usada não é prejudicial para o ambiente.
Em 1997 Tamainot - Telto e Critoph construíram e avaliaram o desempenho de um refrigerador adsortivo utilizando o adsorvente carvão ativado na forma de monólitos e adsorbato a amônia e um fluido térmico para regeneração do leito. A potência específica alcançada foi de 32 W/kg de carvão ativado e um COP de 0,1, a temperatura de regeneração do leito foi de 110 ºC foi obtido uma temperatura no evaporador de -3,3 °C. foi verificado também que o uso de carvão ativado na forma granular teriam alcançado uma potência frigorífica em torno de 90 % menor.
Wang et al. (1999) Um sistema de refrigeração que funcionava continuamente para produção de gelo foi construído, o protótipo era formado por dois leitos adsortivos sendo utilizado 12 kg de carvão ativado distribuídos entre os dois leitos o adsorbato foi o metanol a temperatura de regeneração do leito foi de 92 °C foi possível obter uma produção diária de gelo de 30 kg de gelo e um COP de 0,08.
para resfriamento no evaporador a 14 ºC a uma vazão de 0,1 kg/s, foi possível produzir uma potência frigorífica de 3,2 kW com um COP de 0,36.
Hamamoto et al. (2002) montaram um chiller adsortivo de duplo estágio para gerar 4 litros de água gelada a 14 °C/h usando um fluido térmico a temperaturas variando entre 53 e 61°C para regeneração do leito adsortivo. Foi utilizado 14 kg de sílica gel, distribuída entre quatro leitos poroso, e o adsorbato utilizado foi a água, o COP obtido foi de cerca de 0,2.
Restuccia et al. (2005) testou um leito poroso que era formado por trocador de calor casco-tubos onde a sílica gel modificada através da impregnação com CaCl2
(dicloreto de cálcio) onde o adsorvente modificado apresenta uma capacidade adsortiva de 0,7 kg de água/kg de adsorvente o adsorvente era grudado aos 8 dutos do trocador de calor aletados com espaçamento entre as aletas de 7 mm contribuindo para uma maior contato e uma maior transferência de calor entre o material adsorvente e a parte metálica, este leito poroso era ligado a um condensador e a um evaporador através de válvulas de vácuo. Os resultados experimentais mostraram que utilizando temperaturas da água para aquecimento do leito de 90 a 95 ºC o tempo do ciclo adsortivo foi de 15 a 20 min dependendo das condições de trabalho e a temperatura do condensador de 35 ºC o COP obtido foi de 0,6 e para uma temperatura no condensador de 40 ºC o COP foi 0,35 e a temperatura do evaporador foi mantida constante a 10 °C, a potência frigorífica especifica obtida ficou entorno de 20 kW/kg.
Chang et al. (2005) Realizaram um trabalho onde foi verificado a influência da espessura de sílica gel e o tamanho das partículas no desempenho na transferência de calor e massa em um leito adsortivo, verificou-se experimentalmente que as partículas de sílica gel com diâmetros médio de 1,5 mm adsorvia/dessorvia mais rapidamente o adsorbato (água) quando comparado com as de 3 mm. O leito poroso em que a sílica gel foi condicionada em camadas com pouca espessura tiveram maiores transferência de calor.
Na universidade de Singapura Wang et al. (2005) testaram um refrigerador que é capaz de funcionar até com quatro leitos, o trocador de calor é do tipo duto aletado sendo armazenado 36 kg de sílica gel bem compactado em cada leito poroso. Experimentos foram realizados utilizando 2 e 4 leitos porosos e comparado os resultados obtidos, verificou-se que o chiller adsortivo que trabalhava com quatro leitos porosos apresentou uma variação de potência frigorífica de 110 e 130 W/kg e com dois leitos foi de 70 e 130 W/kg os dois sistemas com 4 leitos e 2 leitos trabalhando sob as mesmas condições apresentaram um COP de 0,46 e 0,45 respectivamente, operando nas seguintes condições água quente a 85 ºC, água fria a 29,4 ºC e água gelada a 12,2 ºC. Ao sistema foi aplicado um dispositivo de recuperação de massa e calor, contribui para um aumento de 48 % no valor de COP com potência frigorífica constante.
Em 2007 Chang et al. fizeram um estudo experimental de um sistema de refrigeração, com a finalidade de simplificar e reduzir os custos de construção de um chiller adsortivo, onde o leito poroso e o evaporador/condensador encontravam-se condicionado na mesma câmara de vácuo. O leito poroso era constituído por tubos aletados e envolvidos com 24,5 kg de sílica gel com diâmetro 0,5 a 1,5 mm, para regeneração do leito poroso foi usado água a 80 ºC e para o resfriamento água fria a 30 ºC. Foi verificado que o desempenho do sistema é bastante dependente das condições de funcionamento como: temperatura de entrada da água para aquecimento e resfriamento do leito, vazão da água e o tempo do ciclo adsortivo/dessortivo, sendo as condições de operação do sistema nas temperaturas citados acima de 80 °C água quente vazão 0,48 kg/s e 30 ºC água fria a uma vazão de 0,6 kg/s e o tempo de adsorção de 6 min e mais 6 min para a dessorção completando um tempo total de 12 min, nestas condições de operação foi possível obter uma potência frigorífica de 4,3 kW e um COP de 0,45, com taxas menores de fluxos de água quente chegou-se a um COP de 0,53.
câmara de vácuo e outra onde passa a água a ser refrigerada por um duto. No chiller adsortivo existe uma válvula de vácuo instalada entre as duas câmara de vácuo do leito poroso que é aberta quando um leito esta resfriando e o outro leito é aquecido proporcionando a redução da pressão dentro da camâra do leito poroso que está aquecendo, melhorando o desempenho do sistema. Este chiller adsortivo foi testado experimentalmente com temperaturas da água quente na faixa de 55 a 65 ºC. Utilizando água para aquecimento do leito a 65 ºC e resfriamento a 30,5 ºC, foi obtido uma capacidade frigorífica de 6 kW com um COP de 0,37, foi possível verificar também que o desempenho do chiller adsortivo pode ser melhorado se a transferência de calor e massa for aumentada.
Zhai et al. (2007) montaram e testaram um sistema de refrigeração por adsorção usando dois chillers adsortivos para climatização de ambiente em um edifício comercial, foi instalado 150 m2 de área de coletor solar que era integrado ao sistema para aquecer água que era usada no aquecimento de ambiente no período de inverno e para o chiller adsortivo para climatização de ambiente no verão. A insolação média diária em Shanghai é de 20,36 a 31,66 MJ/m2 °C. Durante o período de 3 meses de testes experimentais em campo, em média o sistema apresentou um COP de 0,15 e a máxima potência frigorífica obtida foi de 20 kW.
Em 2008 Riffel apresentou o estudo da dinâmica de refrigeradores por adsorção, com a finalidade de otimizar o processo adsortivo, quanto ao seu coeficiente de performance e potência frigorífica específica. Neste trabalho de tese foi desenvolvido um modelo matemático, que representava a dinâmica dentro de um trocador de calor do tipo tubo – aletado. Observou-se, que os sistemas de refrigeração térmica são altamente influenciados pelas condições instantâneas de operação e que as respostas são igualmente influenciadas pela geometria do trocador de calor.
temperatura de regeneração do leito poroso proporciona o aumento da potência frigorífica no evaporador com uma temperatura de 60 ºC da água para regeneração do leito a potência frigorífica foi de 1,28 kW para uma temperatura de 80 ºC a potencia alcançada foi de 3,15 kW. Foi observado que usando um tempo de 300 s para o ciclo de adsorção/dessorção a potencia máxima frigorífica obtida foi de 2,67 kW e para tempos maiores a potência frigorífica decrescia, o máximo COP alcançado pelo sistema foi de 0,32.
Em 2008 no VII Minsk Internartion alseminar foi apresentado um trabalho onde Jakob e Mitteebach mostraram o desenvolvimento de um sistema de refrigeração utilizando um chiller adsortivo integrado com dispositivos que utilizava a energia solar para regeneração do leito adsortivo. O chiller é composto por dois leitos porosos, um condensador e um evaporador em um único dispositivo, o sistema funciona continuamente, o adsorvente sílica gel em forma de pelotas foi colocado junto ao trocador com o auxilio de uma resina que não bloqueia os poros do adsorvente, com isso houver uma melhora considerável na transferência de calor e massa no leito poroso. Água quente a 72/67 ºC circulava pelo leito a uma vazão de 1,6 m3/h e para resfriamento do leito água a 27/32 ºC vazão de 3,7 m3/h. Foi possível obter um COP de 0,56 e uma potência frigorífica de 7,5 kW.
Chang et al. (2009) no Instituto de Technologia Research em Taiwam foi desenvolvido, montado e avaliado um sistema de refrigeração utilizando um chiller adsortivo que era regenerado com água quente aquecida através da energia solar em Taiwan. O sistema de aquecimento é formado por coletores solar plano com uma área de 108,5 m2, a água quente e armazenada em um boiler com capacidade de 1300 L sendo este
Chen et al. (2010) Desenvolveram um modelo matemático transiente unidimensional para verificar o desempenho do chiller adsortivo proposto, este chiller era formado por duas câmara onde em cada uma tinha um leito adsortivo um condensador e um evaporador, o sistema não usava válvula de vácuo entre os dois leitos e era acoplado a uma torre de resfriamento do tipo fechado molhado, um processo de recuperação de massa e calor foi adotado no sistema através da passagem da água que foi aquecida pelo calor residual de um dos leitos durante o processo dessortivo, está mesma água circula pelo outro evaporador contribuindo para o aumento da taxa adsortiva do outro leito poroso. A temperatura da água quente e fria que circula pelo chiller adsortivo eram respectivamente 85 ºC e 15 °C foi possível obter um COP de 0,51 e uma potência frigorífica de 10,76 kW, houve um aumento de 34,9 % no processo de recuperação de calor e massa quando comparado com outros processos de recuperação.
Grisel et al. (2010) Desenvolveram e testaram um chiller adsortivo para um sistema de refrigeração sendo o sistema formado por dois leitos adsortivos trabalhando fora de fase, os leitos eram constituídos de seis radiadores de automóvel cheio do adsorvente sílica gel com diâmetro de 0,2 a 1 mm foi observado que a queda de pressão era insignificante até uma vazão de 4,5 l/min de água quente, a área de troca térmica por volume entre o adsorvente e as aletas era de 950 m2/m3. Diversos experimentos foram realizados com a finalidade de determinar o tempo ótimo do ciclo adsortivo verificando o melhor COP. A temperatura da água para regeneração do leito foi de 85 ºC e a temperatura da água para resfriamento do leito foi de 25 ºC, o melhor tempo encontrado foi de 15 min correspondendo a um COP de 0,7 e uma potência frigorífica de 3,6 kW.
CAPÍTULO II
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 FONTES DE ENERGIA
As fontes de energia podem ser classificadas em fontes primárias e secundárias, fonte de energia primária são produtos energéticos providos da natureza, na sua forma direta, como o petróleo, o gás natural, o carvão mineral, o urânio, a biomassa (lenha, cana-de-açúcar, etc.), a energia hidráulica, energia solar e outras, sendo as energias primarias formas de energia que podem ser consumidas diretamente nos diversos setores da economia, como a lenha e o carvão-vapor, ou principalmente como matéria-prima para a obtenção de energias secundárias nos chamados centros de transformação (refinarias de petróleo, destilarias, centrais elétricas, etc.) As fontes de energia primárias ainda podem ser classificadas em renováveis ou renováveis. São consideradas como fontes não-renováveis aquelas passíveis de se esgotarem por serem utilizadas com velocidade bem maior que necessária para sua formação. Nessa categoria estão os derivados de petróleo, os combustíveis radioativos, a energia geotérmica e o gás natural.
Fontes renováveis são aquelas cuja reposição pela natureza é bem mais rápida do que a sua utilização energética, (como no caso das águas dos rios, marés, sol, ventos) ou cujo manejo, pelo homem, pode ser efetuado de forma compatível com as necessidades de sua utilização energética (como no caso da biomassa:cana-de-açúcar, florestas e resíduos animais, humanos ou industriais). A maioria destas fontes apresenta características estatísticas ou estocásticas, de certa forma cíclicas, em períodos de tempo compatíveis com a operação das usinas e inferiores à vida útil das mesmas. Tais fontes podem ser usadas por exemplo, para produzir eletricidade principalmente através de usinas hidrelétricas (água), eólicas (vento), solares fotovoltáicas (sol, diretamente) e centrais termelétricas (sol, indiretamente, gerando vapor e biomassarenovável).
de consumo. Assim, são exemplos o óleo diesel, a gasolina, o coque de carvão mineral, o carvão vegetal, a eletricidade, etc. Para a energia secundária há duas alternativas, a maior parte vai diretamente para o consumo enquanto uma outra parcela é encaminhada aos centros de transformação, sendo convertida em outras fontes de energia secundária como o que ocorre entre o óleo combustível (eletricidade), bagaço de cana (eletricidade) e nafta (gás canalizado).
As fontes de energia secundária são em geral, produzidas pelas grandes instalações centralizadas, principalmente devido a razão do custo unitário. No caso da eletricidade, no Brasil, a grande fonte de energia elétrica no fim da década de 90 é a geração hidrelétrica, termelétricas existem em pequena quantidade, enquanto que as centrais eólicas, solar fotovoltáicas e de biomassa não passam de projetos de pequeno porte, para a alimentação de sistemas isolados, distantes das redes elétricas, ou projetos piloto. Entretanto, as mudanças do cenário de Energia Elétrica neste mesmo período, identificadas pela abertura à competição, a entrada de capitais privados e a revisão do papel do Estado, que se volta à regulamentação e fiscalização, estão associadas a um aumento da participação termelétrica, a gás natural principalmente, devido à grande oferta deste combustível e também para compensar a falta de investimentos dos últimos tempos no setor.
2.2 ENERGIA E MEIO AMBIENTE
A nível nacional destacam-se, pelas suas emissões de poluentes, as Unidades Industriais e de Produção de Energia como a geração de energia elétrica, as refinarias, fábricas de pasta de papel, siderurgia, cimenteiras e indústria química e de adubos. A utilização de combustíveis para a produção de energia é responsável pela maior parte das emissões de SOX e CO2 contribuindo, ainda, de forma significativa para as emissões de CO
e NOX. O uso de solventes em colas, tintas, produtos de proteção de superfícies, aerossóis,
limpeza de metais e lavandarias é responsável pela emissão de quantidades apreciáveis de Compostos Orgânicos Voláteis. Existem outras fontes poluidoras que, em certas condições, podem ser consideradas importantes tais como:
• os incendios florestais são, nos últimos anos, responsáveis por emissões significativas de CO2;
• o uso de fertilizantes e o excesso de concentração agropecuária, são os principais contribuintes para as emissões de metano, amoníaco e N2O; • as indústrias de minerais não metálicos, a siderurgia, as pedreiras e áreas em
construção, são fontes importantes de emissões de partículas;
• as causas naturais, como explosões vulcânicas.
As fontes móveis, sobretudo os transportes rodoviários, são uma fonte importante de poluentes, essencialmente devido às emissões dos gases de escape, mas também como resultado da evaporação de combustíveis. São os principais emissores de NOX, CO e CO2,
além de serem responsáveis pela emissão de poluentes específicos como o chumbo.
O efeito estufa e as mudanças climáticas se devem à modificações na intensidade da radiação térmica emitida pela superfície da terra devido ao aumento da concentração dos gases estufa na atmosfera. Acredita-se que esse aumento de concentração se deve principalmente a ações antropogênicas relacionadas com atividades industriais. O dióxido de carbono é o mais significativo e preocupante entre os gases emitidos, devido a grande concentração emitida e à longa duração de seus efeitos na atmosfera. Suas emissões estão principalmente ligadas ao uso de combustíveis fósseis. Outros gases estufa são o metano, óxido nitroso (NO2) e os clorofluorcarbonetos, que são usados principalmente no
hemisfério norte, que corresponde por 90% de todos os clorofluorcarbonetos liberados na atmosfera. Eles são pouco tóxicos, não-inflamáveis e não se decompõem facilmente. Com uma vida útil de cerca de 150 anos, esses gases sobem para a estratosfera completamente inalterados devido justamente à sua estabilidade, podendo atingir até 50 quilômetros de altitude, antes de serem totalmente destruídos pelos raios ultravioleta. Ao ultrapassar a camada de ozônio, um único átomo de cloro destrói cerca de 100 mil moléculas de ozônio. As estimativas são de que de 3% a 5% da camada já tenha sido destruída pelos CFCs.
cientistas neozelandeses anunciaram que o buraco na camada de ozônio sobre a Antártida poderá estar fechado em 2050, como resultado das restrições internacionais impostas contra quem emite os gases. Pelo acordo firmado em Montreal, os países desenvolvidos têm custeado estudos e pesquisas para a eliminação de várias substâncias nocivas à atmosfera terrestre.
2.3 ENERGIA RENOVÁVEL
A geração de energia elétrica tendo o sol como fonte pode ser obtida de forma direta, por meio de células fotovoltaicas (onde a irradiação solar é transformada em energia elétrica), geralmente feitas de silício, um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre. Para obter energia de forma indireta, constroem-se usinas em áreas de grande insolação (áreas desérticas, por exemplo), onde são instaladas centenas de espelhos côncavos (coletores solares) direcionados para um determinado local, que pode ser uma tubulação de aço inoxidável, como ocorre no deserto de Mojave, maior central solar do mundo, na Califórnia (EUA), ou um compartimento contendo simplesmente ar, como ocorre em Israel, ou ainda utiliza-se painéis termoreceptores (possuem tubulação de metal sendo percorrida por água) para o aquecimento doméstico da água. Alguns poucos países utilizam bastante esse tipo de energia: em Israel, 70% das residências possuem coletores solares e na Indonésia milhares de casas são totalmente iluminadas por células fotovoltaicas.
De acordo com Duffie e Beckmann (1991) o sol é uma esfera com um raio de 6,96.108 m e densidade média de 1,41 g/cm3, pois a matéria não é homogênea em seu
interior. Sua densidade no centro é muito superior em relação à densidade das camadas externas. Possui massa estimada em 334,672 vezes a massa da terra, equivalendo a 1,99. 1030 kg.
2.4 RADIAÇÃO SOLAR
2.4.1 CONSTANTE SOLAR E RADIAÇÃO EXTRATERRESTRE
Como se sabe, a energia acumulada no núcleo do sol é bastante elevada e se propaga por toda a esfera solar. Na fotosfera, essa energia proporciona uma agitação atômica correspondente a uma temperatura aproximada de 5900 K, o que equivale a 72 MW/m2 numa esfera de 650000 km de raio. Esse fluxo varia em cerca de ± 3,5 %, pois a distância terra - sol varia em ± 1,7 % ao longo do ano. O fluxo de energia que atinge o topo da atmosfera terrestre é de aproximadamente 1353 W/m2 , o que representa o fluxo médio de energia recebido por uma superfície normal à incidência da radiação solar, e é denominada constante solar. Segundo Fraidenraich e Lyra (1995), a constante solar é definida como a quantidade de enegia que incide em uma superficie unitária, normal aos raios solares, por unidade de tempo, em uma região situada no topo da atmosfera. Apesar dessa região estar fora da superfície terrestre, é a partir dela que se baseia a análise da intensidade de radiação recebida pela superfície.
O ângulo de incidência dos raios em um dado instante é de grande improtência para a quantificação da energia vinda do sol. Para isso, toma-se necessário o conhecimento de alguns fatores geográficos do local analisado, como a altitude, ângulo horário, declinação solar, ângulo da superficie em relação ao plano horizontal, direção para a qual a superficie está apontando.
Contudo, devido a excentricidade da órbita terrestre, esse fluxo sofre variações, ao longo do ano, influenciando diretamente no clima, originando assim as estações. Desta forma, essas variações podem ser determinadas por (DUFFIE & BECKMAN, op cit. 1991):
∙ 1 0,033 ∙ cos360365 ∙
(2.1)
Onde Gr é a radiação solar extraterrestre medida num plano normal à direção de
propagação (W/m2), Gcs é a constante solar (W/m2 ) e nd é o número do dia do ano.
2.4.2 COLETOR SOLAR
As aplicações da energia solar, em sistemas que requerem calor para o seu funcionamento, vem ganhando avanços que contribui para o aumento da eficiência dos coletores. Onde cada vez mais, ocorre o aumento do aproveitamento desta energia renovável. A forma de utilização dessa energia varia de acordo com a necessidade de cada aplicação. Salienta-se que a forma mais antiga de sua utilização é o aquecimento de água. A geração de eletricidade, secagem de alimentos, refrigeração de frutas e vacinas, fabricação de gelo, condicionamento de ar, são alguns exemplos das outras formas de seu uso. O desempenho desses sistemas depende, em grande parte, da quantidade de energia solar que é coletada, desta forma, o coletor solar é o coração desses sistemas, o qual nada mais é que um tipo especial de trocador de calor, que transforma energia solar radiante em calor. Os coletores são divididos em coletores planos e concentradores, dependendo da aplicação e temperatura requerida pelo sistema.
TIPOS DE COLETORES
Os dispositivos utilizados na captação da radiação solar são denominados de coletores solares. Estes coletores são sistemas que empregam a conversão termodinâmica e, conforme a temperatura obtida. Eles são classificados em coletores de baixa, média e alta concentração.
A quantidade de energia necessária ao funcionamento de um sistema, de suprimento solar, e o custo são alguns dos fatores que determinam o tipo de coletor solar a ser utilizado.
Os coletores solares podem ser divididos em várias categorias entre elas, a temperatura que podem ser classificados como:
• Coletores de baixa-temperatura. Atingem menos de 50 ºC, e utilizam absorvedores metálicos ou não-metálicos, em aplicações como o aquecimento de água em piscinas.
inclusos os coletores de tubo evacuados, os quais são ordinariamente utilizados para o aquecimento de água residencial.
• Coletores de alta-temperatura Atingem altas temperaturas, e em geral são coletores com refletores parabólicos circulares ou coletores tipo calha, os quais são utilizados, principalmente, na geração de eletricidade e desintoxicação de água.
COLETOR SOLAR PLANO
Coletores solares com placa absorvedora plana podem ser projetados para aplicações a temperaturas moderadas da ordem de 100 ºC. Estes coletores solares absorvem as componentes direta e difusa da irradiação solar, requerem baixos níveis de manutenção. As aplicações potenciais destas unidades são para aquecimento solar de água residencial, aquecimento para edificações, condicionamento de ar e em processos de aquecimento industrial.
O coletor plano recebe e utiliza a radiação solar na mesma superfície. É composto por placa absorvedora na cor preta, tubulações por onde escoa o fluido a ser aquecido, isolamento térmico e, na maioria das vezes, cobertura transparente.
CAPÍTULO III
FUNDAMENTAÇÃO SOBRE ADSORÇÃO
3.1 FENÔMENO DA ADSORÇÃO
O fenômeno da adsorção é conhecido desde o século XVIII, quando se observou que certa espécie de carvão retinha em seus poros grandes quantidades de vapor d’água, o qual era liberado quando submetido ao aquecimento. Adsorção é o termo utilizado para descrever o fenômeno no qual moléculas que estão presentes em um fluido, líquido ou gasoso, concentram-se espontaneamente sobre uma superfície sólida.
A adsorção é um fenômeno que consiste na condensação de partículas, quer sejam íons moléculas ou partículas coloidais, na superfície de separação entre alguns sólidos e na fase gasosa ou líquida com que estão em contato. A adsorção manifesta-se em medida notável nas substâncias particulares, chamadas adsorventes, como o carvão vegetal, o carvão ativado, as argilas ativadas, a alumina e a sílica gel, que sejam finamente subdivididas e tratadas de modo a apresentarem uma superfície enorme relativamente a sua massa (m2/g). A remoção das moléculas a partir da superfície é chamada dessorção.
3.2 TIPO DE ADSORÇÃO
A adsorção pode ocorrer tanto por mecanismos físicos como por mecanismos químicos (FOUST, et al. 1980). A adsorção física ocorre quando forças intermoleculares
de atração entre as moléculas do fluido e a superfície do sólido são maiores do que as forças de atração entre as próprias moléculas do fluido. As moléculas do fluido aderem-se à superfície do sólido e o equilíbrio é estabelecido entre o fluido adsorvido e o restante que permaneceu na fase líquida. O calor de adsorção é pequeno e da mesma ordem de grandezados calores de condensação.
Na adsorção química ou quimissorção, há o envolvimento de interações químicas entre o fluido adsorvido e o sólido adsorvente, onde há a transferência de elétrons, equivalente à formação de ligações químicas entre o adsorbato e a superfície do sólido. Neste caso, o calor de adsorção é da mesma ordem de grandeza dos calores de reação. Por esta razão, somente a adsorção física é apropriada a uma operação cíclica. Além disso, na adsorção física podem formar-se camadas moleculares sobre postas, enquanto que na adsorção química se forma uma única camada molecular adsorvida (monocamada).
Tabela 3.1 – Caracteristícas da adsorção Física e Química
CARACTERISTÍCAS ADSORÇÃO FÍSICA ADSORÇÃO QUÍMICA
Calor de adsorção 2 a 3 vezes menor que o calor latente de vaporização
2 a 3 vezes maior que o calor latente de vaporização Velocidade de adsorção Regulada pela resistência ao
transporte de massa
Regulada pela resistência a reação superfícial
Especificidade Baixa, toda a superfície é disponivel à adsorção
Elevada, limita aos sítios especifícos do adsorvente Cobertura da Superfície Adsorção em mono ou
multicamadas
Adsorção somente em monocamadas
Quantidade adsorvida por unidade de massa
Elevada Baixa
Tipo de Ligação Van der Walls(não ocorre transferência de eletrons)
Transferêcia de eletros entre o adsorbato e o adsorvente
3.3 CLASSIFICAÇÃO DOS POROS
De acordo com o tamanho dos poros das superfícies sólidas porosas podem ser divididas em microporosas, mesoporosas e macroporosas. Davies e Legros op cit. mencionam que, segundo a convenção da IUPAC, as substâncias microporosas possuem poros com diâmetro de até 2nm, enquanto as substâncias mesoporosas possuem poros com diâmetro entre 2 e 50 nm, sendo que acima desses valores, a substância é considerada macroporosa.
os poros podem ser classificados em função do diâmetro como (Figura 3.1):
• Macroporos: maior que 50 nm
• Mesoporos: entre 2 e 50 nm
• Microporos secundários: entre 0,8 e 2 nm
• Microporos primários: menor que 0,8 nm
3.4 TERMODINÂMIDA E ISOTERMAS DE ADSORÇÃO
Para se estimar a capacidade de adsorção de um dado adsorvente, é essencial ter informações do equilíbrio de adsorção.Vários estudos têm sido conduzidos para se determinar a quantidade de espécies adsorvidas sob condições determinadas (concentração e temperatura) ou a seletividade do processo de adsorção quando dois ou mais compostos adsorvíveis estão presente na solução ( FOUST, et al. 1980; RUTHVEN, 1984).
Quando um adsorvente está em contato com um fluido que possui uma determinada composição específica, o equilíbrio da adsorção acontece depois de um tempo suficientemente longo. Neste estado, a relação entre a quantidade adsorvida Qe e a
concentração da fase fluida Xeq a uma dada temperatura é chamada de Isoterma de
Adsorção.
Em geral, para a adsorção física numa superfície homogênea em concentrações suficientemente baixas, a isoterma deve se aproximar à forma linear, onde a inclinação limite na região de baixa concentração é chamada de constante da lei de Henry (K), ou constante de equilíbrio termodinâmico:
adsorvido Kd
Ka
S adsorvente A
A( ) + ← →/
Sendo:
A(S) – Adsorbato no interio do sólido adsorvente
Aadsorvido –Adsorbato no interior do sólido adsorvente
KA – Constante de velocidade de adsorção
Kd – Constante de velocidade de dessorção
A lei de Henry corresponde fisicamente à situação em que a fase adsorvida está tão diluída que não existe competição por sítios adsortivos nem interações entre as moléculas adsorvidas. Em maiores concentrações ambos os efeitos tornam-se importante, modificando a forma da isoterma (RUTHVEN, op cit.).
Dependendo do sólido adsorvente, existem vários tipos de isotermas, sendo que a maioria das isotermas de adsorção física pode ser agrupada em cinco tipos, que foram classificadas segundo Brunauer et al. (1938), frequentemente chamada de classificaçãode
Figura 3.2 - Isoterma de adsorção classificada por Brunauer et al. (1938).
As isotermas de adsorção indicam uma estimativa da quantidade máxima de soluto que o adsorvente adsorverá. O estado termodinâmico do leito é função da massa adsorvida, da temperatura e da pressão.
As isotermas para sólidos microporosos (microporos < 2nm), nos quais o tamanho do poro não é muito maior do que o diâmetro da molécula do adsorbato, são normalmente representadas pelo tipo I. Isto acontece porque com estes adsorventes, existe uma saturação limite correspondendo ao enchimento completo dos microporos. Ocasionalmente se os efeitos de atração intermolecular são grandes, a isoterma do tipo V é observada. Uma isoterma do tipo IV sugere a formação de duas camadas na superfície plana ou na parede do poro, sendo este muito maior do que o diâmetro molecular do adsorbato (mesoporos: 2 a 50 nm e macroporos: > 50nm). Isotermas do tipo II e III são geralmente observadas em adsorventes que apresentam uma grande faixa de tamanho de poros. Nestes sistemas, existe uma progressão contínua com aumento das camadas levando a uma adsorção de multicamadas e depois para condensação capilar. O aumento na capacidade a altas concentrações acontece devido à condensação capilar nos poros de maior diâmetro (RUTHVEN, op cit. 1984).
Isortema de Langmuir
A isoterma de Langmuir é caracterizada por uma aproximação monotônica a uma quantidade limite de adsorção, e que se presume corresponder à formação de uma monocamada, (comportamento esperado para a quimissorção). A expressão da isoterma do Langmuir é representada pela equação abaixo:
eq eq eq
C b
C b X X
. 1
. .
0 +
Onde: Ceq é a concentração de equilíbrio na fase liquida, b e X0 são os parâmetros
de Langmuir, X0 representa a máxima capacidade de cobertura da monocamada b está
relacionado com a constante de equilíbrio de Langmuir.
A isoterma falha em muitos aspectos e essas falhas devem-se, entre outros fatores, à heterogeneidade da superfície. No entanto, apesar das limitações, a equação de Langmuir se ajusta razoavelmente bem aos dados experimentais de muitos sistemas.
Isortema de Freundlich
Outro modelo de isoterma frequentemente aplicado é o modelo de Freundlich, considerado empírico. É possível interpretá-lo teoricamente em termos de adsorção em superfícies energeticamente heterogêneas. Este modelo se aplica bem em dados experimentais de faixa de concentração limitada (SUZUKI, 1990).
A equação de Freundlich foi originalmente introduzida como uma correlação empírica de dados experimentais, sendo só muito mais tarde derivada matematicamente por Appel em 1973, admitindo-se uma distribuição logarítmica de sítios ativos, que constitui um tratamento válido quando não existe interação apreciável entre as moléculas de adsorbato (RUPP, 1996).
O modelo de Freundlich não limita a capacidade de adsorção, deixando a quantidade adsorvida ir até o infinito quando a concentração aumenta. É aplicada somente abaixo da concentração de saturação (solubilidade ou pressão de vapor de saturação) onde ocorre a condensação ou cristalização quando o fenômeno de adsorção não é mais significativo (SUZUKI, 1990).
eq n eq KC X
1
.
= (3.2)
Onde, Xeq é a quantidade adsorvida na fase sólida, Ceq é a concentração de e carvão
Isortema de BET
Este tipo de isoterma é bastante utilizado na caracterização de área superficial de carvões (RUTHVEN, op cit.). Brunauer, Emmet e Teller op cit. desenvolveram um modelo simples de isoterma que leva em consideração a adsorção em multicamadas, permitindo calcular a capacidade da monocamada e a área superficial do carvão. As seguintes simplificações são consideradas:
• a adsorção ocorre em multicamadas independentes e imóveis;
• equilíbrio é alcançado para cada camada;
• além da primeira camada, a adsorção é aproximadamente igual a condensação.
A isoterma BET é expressa pela equação:
( )
− + −
=
s eq eq
s
eq eq
C C b C
C
C b X X
. 1 1
. . .
0 (3.3)
Onde Xeq e X0 tem o mesmo significado de Langmuir, b está relacionado com a
saturação em todas as camadas, Ceq é a concentração de equilíbrio no fluido e Cs é a
concentração do soluto na saturação de todas as camadas. As isotermas de BET são caracterizadas pela forma de S, como apresentado nas isotermas do tipo II.
Isortema Dubinin - Astakhov
Segundo Oliveira op cit. (2004) elementos adsortivos formados por macroporos e mesoporos podem ser representados pelas equações de B.E.T. e Langmuir, pelo fato do adsorbato formarem na superfície sólidas mono e multicamadas. Por outro lado para os microporos ocorre o preenchimento do volume destes poros, de acordo com está hipótese, Dubinin (1967) desenvolveu uma teoria de equilíbrio de Wo, e adsorção de gases e vapores levando em conta que todo o poro é preenchido com volume máximo, expressa o volume dos microporos por massa unitária de adsorvente anidro.
= Leito Sat Leito P P T R
A . .ln . (3.4)
Onde Psat.é a pressão de saturação do adsorbato à temperatura do leito adsortivo,
TLeito e PLeito é a pressão o interior no leito, R é a constante relativa dos gases ideais.
De acordo com a teoria de Dubinin-Astakhov, descrita por Oliveira op cit. (2004), a relação existente entre o volume ocupado pelo adsorvato, com o volume máximo do poro e com o potencial de adsorção é mostrado pela equação abaixo:
− = n E A W
W 0 exp (3.5)
Onde E é a energia livre característica do par e contém os parâmetros da microporosidade do adsorvente e à afinidade do adsorbato pelo adsorvente.
Substituindo a equação 3.5 em 3.6 temos:
− = n Leito Sat Leito n P P T E R W
W 0.exp .ln (3.6)
Multiplicando-se ambos os lados da Equação 3.7 pela densidade do adsorvato, obtém-se: − = n Leito Sat Leito P P T D X
X 0.exp . .ln . (3.7)
Onde as constantes
n E R
foram substituídas pela constante D.
Quando a pressão no leito adsortivo é igual à pressão de saturação do adsorbato no condensador ou no evaporador as e Equações 3.6 e 3.7, são modificação, através da Equação 3.8 conhecida como equação de Clapeyron.
− = . sat sat T C B
− = Leito Sat T C B P
ln (3.9)
− = . Sat Leito T C B
LnP (3.10)
Os coeficientes B e C são específicos para cada adsorbato. Substituindo as equações 3.9 e 3.10 em 3.7 temos:
− − = n sat Leito T T K X
X 0.exp . 1 (3.11)
Onde :
n
C D
K = . (3.12)
3.5 TIPOS DE ADSORVENTES