SIMULAÇÃO DINÂMICA PARA DIMENSIONAMENTO DE UM
CHILLER DE ABSORÇÃO DE SIMPLES EFEITO UTILIZANDO
SIMULINK
P. F. CORRÊA1, F. C. ARAÚJO2, L. A. SARUBBO1,2 e V. A. SANTOS1,2
1
Universidade Católica de Pernambuco, Centro de Ciências e Tecnologia
2
Centro de Gestão de Tecnologia e Inovação, CGTI E-mail para contato: priscilla.correa.pe@gmail.com
RESUMO – Questões energéticas demandam novos estudos na área de refrigeração, tendo como objetivo o baixo custo de energia e menor impacto ambiental. Os chillers de absorção utilizam soluções absorventes, do tipo LiBr-H2O, e fontes quente como gases ou
líquidos residuais. Neste trabalho, com base em conceitos dos balanços de massa e energia, foi elaborado um programa de simulação, utilizando a ferramenta Simulink/Matab, para investigar o gerador de um chiller de absorção LiBr-H2O a ser
utilizado para produção de água gelada em uma unidade piloto de testes de grupos geradores diesel. Com base nas simulações observou-se instabilidades nos valores das variáveis fração mássica da solução concentrada de LiBr e temperatura da referida solução, no gerador do chiller, até um tempo de 100 segundos. Após esse tempo a concentração da solução de LiBr e a temperatura começaram a decair a níveis críticos, com indicações de uma possível cristalização. Como resultado o COP apresentou um decréscimo acentuado após esse tempo. Isso demonstrou a necessidade de se elaborar, em uma próxima etapa, estratégias de controle com base nos resultados da simulação dinâmica para auxiliar na elaboração de estratégias de controle para manutenção do equipamento em estado estacionário.
1. INTRODUÇÃO
Absorção de refrigeração é considerada como uma tecnologia de refrigeração verde, que é acionada pela fonte de calor de baixa qualidade. A refrigeração de absorção pode utilizar calor residual e de energia solar para economizar energia, outra vantagem é proteger o meio ambiente do uso de CFC (HE et al. 2014). Sem grandes partes móveis presentes na estrutura do chiller sua manutenção só é realizada quando preciso. A alta durabilidade do material absorvente adicionado é uma vantagem para o seu desempenho de longa duração (LI et al. 2014).
Existem diferenças em dois detalhes importantes. Uma é a natureza do processo de compressão, em vez de se comprimir o vapor entre o evaporador e o condensador, o refrigerante de um sistema de absorção é absorvido por uma substância secundária, chamada de absorvente, de modo a formar uma solução líquida (MORAN e SHAPIRO, 2008). As combinações mais usuais de fluidos são a de brometo de lítio e água (LiBr-H2O), no qual o vapor de água é o refrigerante, e o par amônia e água
(NH3-H2O), sistema no qual a amônia é o refrigerante (DENG e MA, 1999). A outra principal
diferença é a existência de uma fonte quente nos chillers por absorção responsável pela separação do refrigerante do absorvedor. Esta fonte quente pode ser obtida através de gás natural, eletricidade, energia solar, geotérmica entre outras (PARK; JEONG; KANG, 2004).
O ciclo de absorção pode trabalhar de duas formas: simples efeito e duplo efeito. O ciclo de simples efeito trabalha com dois níveis de pressão entre o gerador e o absorvedor, que normalmente estão abaixo da pressão atmosférica. É possível recuperar o calor residual com temperatura inferior a 120° C, com um COP de cerca de 0,7. O ciclo de duplo efeito poder trabalhar com temperaturas acima de 120 °C, trabalhando com três níveis de pressão entre o evaporador – absorvedor, o gerador de baixa – condensador, e o gerador de alta. Geralmente tem um COP de 1,2 ou superior (DENG; WANG; HAN, 2011).
Atualmente são realizadas pesquisas para identificar o comportamento das principais variáveis: temperatura, concentração e vazão mássica dos chillers de absorção. Contudo, o estudo de plantas de chillers de absorção em sistemas estacionários não esta sendo mais tão eficiente, sendo desenvolvidos modelos dinâmicos mais eficientes.
O presente trabalho aplicará a simulação computacional em Simulink através do modelamento dinâmico de um dos componentes do chiller de absorção de simples efeito - o gerador, para identificação de variáveis responsáveis por possíveis instabilidades operacionais. Essas verificações são necessárias para todos os componentes do equipamento que deverá funcionar em regime estacionário, garantindo um aproveitamento eficiente de energia residual excedente.
2. METODOLOGIA
2.1. Unidade Piloto de Testes para Grupos Geradores Diesel do CGTI
A instalação piloto do Centro de Gestão em Tecnologia e Inovação (CGTI) foi elaborada e construída basicamente de um grupo gerador diesel confinado em uma cabine climatizada, confeccionada em acrílico para facilitar o contato visual. Associado a essa cabine o sistema conta com um chiller de 10,5 kW. O radiador do grupo gerador foi instalado na parte externa da cabine e outro trocador tipo radiador foi instalado junto a um ventilador insuflador de ar. Um banco de resistores e instrumentos para medidas de pressão, temperatura, umidade, consumo de combustível, composição dos gases produtos da combustão e potência fornecida pelo grupo gerador, enviam dados operacionais do sistema para um registrador de dados.
A unidade piloto foi utilizada para testes de eficiência de produção de energia elétrica com grupos geradores diesel. O chiller foi utilizado para produção de água gelada para as seguintes
funções: climatização da cabine de contenção do grupo gerador; testes de arrefecimentos das linhas de alta temperatura, responsável pelas temperaturas dos cabeçotes do motor, e baixa temperatura, responsável pela temperatura do óleo lubrificante.
2.2. Chiller de Absorção de simples efeito
A previsão deste projeto é de uso de um chiller de simples efeito, cuja termodinâmica de balanço de massa e energia são associadas aos seus componentes, partindo-se das hipóteses simplificadoras sugeridas por Carvalho (2007). Com as hipóteses assumidas, a Tabela 1 apresenta os estados característicos dos fluidos em escoamento nos pontos indicados na Figura 1. A Figura 2 apresenta o esquema simplificado dos componentes do equipamento.
Figura 1 - Esquema com componentes básico em um chiller de absorção de simples efeito Tabela 1 – Definição do estado e do fluido de trabalho em cada ponto do chiller de absorção de
LiBr de simples efeito
Ponto Estado Fluido de trabalho
1 Líquido saturado Água pura
2 Líquido saturado Sol. de LiBr à baixa concentração 3 Líquido saturado Sol. de LiBr à baixa concentração 4 Líquido saturado Sol. de LiBr à baixa concentração
2.3 Modelamento dinâmico
2.3.1 GeradorNo gerador tem-se um processo de transferência de massa que ocorre na vaporização da água (considerada pura) e de transferência de calor que ocorre no trocador. A Figura 2 mostra uma representação esquemática do gerador.
Figura 2 - Esquema com indicação dos componentes do gerador
Utilizando o princípio de conservação de massa e energias têm as seguintes equações. Balanço de massa: G G M m X m X m dt dX 4 4 6 6 5 (1)
Onde, XG é a fração mássica de LiBr; m4 é a vazão mássica da corrente 4; X é a fração 4
mássica da corrente 4; m6 é a vazão mássica da corrente 6; X6 é a fração mássica da corrente 6; m5 é
a vazão mássica da corrente 6; MG é a quantidade de material no gerador e t é o tempo.
Balanço de energia: pG G G G C M h m h m h m Q dt dT . 5 5 6 6 4 4 (2)
Onde a taxa de transferência de calor, QG, do gerador pode ser descrita pelas equações:
5 Vapor saturado Vapor d’água
6 Líquido saturado Sol. de LiBr à alta concentração 7 Líquido saturado Sol. de LiBr à alta concentração 8 Líquido saturado Sol. de LiBr à alta concentração
G G G UA Tml Q (3) 5 5 T T T T T T T T Tml FQS G FQE FQS G FQE G ln ) ( ) ( (4)
Onde, h é a entalpia da corrente 4; 4 h6 é a entalpia da corrente 6; h5 é a entalpia da corrente 5; pG
C
é a capacidade calorífica no gerador; UAG é o coeficiente global de transferência de calor no
gerador; TmlG é a diferença de temperatura logarítima média; TFQE é a temperatura de entrada da
fonte quente; TG é a temperatura no gerador; TFQS é a temperatura de saída da fonte quente e T5 é a
temperatura na corrente 5.
2.3.2 Coeficiente de Performace (COP)
O desempenho energético do ciclo de refrigeração pode ser analisado pelo coeficiente de performace (COP), que é calculado com base na Primeira Lei da Termodinâmica como:
ge ev Q Q COP (5)
2.3.3 Cálculos das propriedades dos fluidos de trabalho
No presente trabalho as propriedades dos fluidos de trabalho foram obtidas a partir dos cálculos realizados por Carvalho, 2007.
2.3.4 Simulação em Simulink
A partir dos balanços de massa e energia foi projetada a simulação em Simulink do gerador do chiller de simples efeito. Com o programa pronto foi realizada a variação de vários componentes como: concentração da solução LiBr/H2O, das temperaturas do gerador e do COP para verificar como
será o seu comportamento para então identificar a melhor capacidade do equipamento.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O programa de simulação computacional SIMULINK/MATLAB foi utilizado para simular um ciclo de refrigeração por absorção com LiBr/H2O para um chiller de 10,5 kW. Os coeficientes globais
utilizados na simulação foram obtidos de Grossman e Zaltash, 2000. Na Tabela 2 estão os dados de entrada da simulação.
Tabela 2 – Dados de entrada do sistema (Chiller de 10,5 kW) Ponto T(oC) P(kPa) m
kg/s
X (-) h (kJ/kg) 1 37,00 6,275 0,00446 - 155,148 2 34,44 0,870 0,02760 0,549 81,847 3 34,44 6,275 0,02760 0,549 81,947 4 63,60 6,278 0,02760 0,549 142,227 5 80,59 6,275 0,00446 - 2651,000 6 91,13 6,275 0,02320 0,640 232,396 7 52,13 6,275 0,02320 0,640 160,900 8 52,13 0,870 0,02320 0,640 161,484Realizaram-se variações do tempo de uso do chiller, utilizando valores de 10, 100, 1000, 10000, 100000 segundos. Obtendo como resultado valores da fração mássica do LiBr no gerador, da temperatura no gerador e do COP (Tabela 3)
Tabela 3 – Dados obtidos na simulação em SIMULINK (Chiller de 10,5 kW)
Observou-se que o a concentração da solução de LiBr no gerador permaneceu muito próximo ao valor de entrada que é de 63,7% em 10, 100 e 1000 segundos. Após esse último valor a concentração da solução começou a decair bastante o que reduziu para valores abaixo de 50%. A diminuição da concentração da solução de LiBr durante o tempo estudado está diretamente relacionado com a diminuição da temperatura no Gerador e um possível aumento da pressão no gerador, conforme cálculos das propriedades do fluido.
O valor da temperatura do gerador permaneceu muito próximo ao valor inicial (em torno de 90°C) até 100 segundo. Após 100 segundos a temperatura do gerador começou a decair mais rapidamente, tendo sido reduzida para valores abaixo de 80°C.
Para caracterizar a efetividade de uso do chiller é necessário comparar os resultados encontrados com a curva de cristalização do LiBr (Figura 3), nas condições ideais de operação, não pode haver cristalização de LiBr nos componentes. A cristalização é um fenômeno que ocorre quando a fração mássica de brometo de lítio excede a solubilidade limite da solução. Desta forma, para que não ocorrerá cristalização as concentrações de LiBr devem estar acima da faixa de cristalização, abaixo da faixa ocorre a cristalização e o sistema trava (CAMPOS, 2011).
Tempo (s) XG (%) TG (°C) COP 10 63,97 90,00 0,7168 100 63,71 89,70 0,7027 1000 61,26 87,70 0,6062 10000 49,08 80,40 0,4274 100000 46,23 78,50 0,4015
Os resultados encontrados da concentração do LiBr e da Temperatura foram colocados na curva de cristalização para verificar o seu comportamento. Apesar da grande variação da temperatura e da concentração de LiBr não ocorreu a cristalização pois todos os pontos ficaram acima da curva comprovando que apesar da baixa estabilidade o chiller pode operar sem que ocorrerá a parada repentina do equipamento.
Figura 3 - Diagrama de concentração de LiBr x temperatura
Observou-se que o valor do coeficiente de performace (COP) permaneceu muito próximo em torno de 0,71 em 10 e 100 segundos, após 100 segundos o COP começou a decair bastante o que reduziu para valores em torno de 0,40 diminuindo a sua eficiência de produção (Tabela 3). A diminuição da eficiência também aconteceu devido a variação da taxa de transferência de calor do gerador e ao valor fixo da taxa de transferência de calor do absorvedor.
Os resultados do presente trabalho puderam mostrar que é necessário realizar estratégias de controle para que o sistema permaneça em estado estacionário e não em estado transiente. Se o sistema ficar funcionando em estado transiente ocorre muitas variações provocando a perda de eficiência do equipamento e elevação do custo do chiller. Dessa forma a simulação do comportamento das principais variáveis do gerador é importante para se ter conhecimento do seu comportamento e consequentemente identificar um valor adequado para seu coeficiente de performance.
4. CONCLUSÃO
O presente trabalho apresentou uma modelagem dinâmica em linguagem SIMULINK/Matlab do gerador de um chiller de absorção a LiBr-H2O, apresentando características de operação coerentes
para este tipo de configuração. Entre as importantes aplicações reservadas aos modelos dinâmicos, na fase de dimensionamento de equipamentos de processos industriais, destaca-se a identificação de
variáveis operacionais que necessitam da elaboração de estratégias de controle.
As simulações executadas para até 100 segundos, a ausência de um sistema de controle no gerador não se faz sentir. Contudo, a partir desse tempo de simulação a convergência do programa falha pela ocorrência de grandes variações de temperatura no gerador, impossibilitando os cálculos da DTML do trocado de calor do gerador.
Essa inspeção deverá ser aplicada a cada um dos componentes do equipamento, possibilitando a identificação de todos os pontos de instalação que necessitam de estratégias de controle para que o equipamento, como um todo, opere em estado estacionário e com a máxima efetividade.
5. REFERÊNCIAS
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H2O-LiBr de simples e duplo efeito, incluindo o efeito de aditivos e clima local. 2007. 109 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade de Brasília, Brasília. 2007.
DENG, J.; WANG, R.Z.; HAN, G.Y. A review of thermally activated cooling technologies for combined cooling heating and power systems. Prog. Energy Combust. Sci, n. 37, p. 172-203, 2011. DENG, S.M.; MA, W.B. Experimental Studies on the Characteristics of an Absorber Using LiBr/H2O Solution as Working Fluid. International Journal of Refrigeration, p. 293-301, 1999.
GROSSMAN, G.; ZALTASH, A. ABSIM – Modular Simulation of Advanced Absorption Systems.
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MORAN, J.M.; SHAPIRO, H.N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 6ª ed. LTC, 2008. PARK, C.W.; JEONG, J.H.; KANG, Y.T. Energy consumption characteristics of an absorption chiller during the partial load operation, International Journal of Refrigeration, n. 27, p. 948–954, 2004.
