Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica 2016
Jorge Tiago Alves
Ferreira Tavares
Projeto de uma câmara frigorífica móvel com
autonomia energética alargada
Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica 2016
Jorge Tiago Alves
Ferreira Tavares
Projeto de uma câmara frigorífica móvel com
autonomia energética alargada
Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestrado em Engenharia Me-cânica, realizada sob orientação científica de Nelson Amadeu Dias Martins, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica da Universi-dade de Aveiro e de Mónica Sandra Abrantes de Oliveira Correia, Profes-sora Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro.
O júri
Presidente Prof. Doutor Fernando José Neto da Silva
Professor Auxiliar do departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro
Arguente Profª. Doutora Maria Isabel da Silva Nunes
Professora Auxiliar do departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro
Orientador Prof. Doutor Nelson Amadeu Dias Martins
Professor Auxiliar do departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro
Agradecimentos / Acknowledgements
A consecução de um trabalho de investigação como aquele que agora se apresenta, para além do empenho e dedicação de quem o realiza, requer também o contributo de muitas outras pessoas às quais expresso os meus agradecimentos:
Ao Professor Doutor Nelson Dias, orientador desta dissertação, e à Profes-sora Doutora Mónica Correia, coorientadora desta dissertação, pelo interesse com que acolheram este trabalho de investigação; pelas suas sugestões, que constituíram uma preciosa e indispensável ajuda na elaboração desta disser-tação.
À empresa Unilever-Jerónimo Martins e à OLÁ, pelo desafio lançado. Ao Professor José Elídio Sá, pela disponibilidade demonstrada.
Aos meus pais, por toda a ajuda e motivação não só para este trabalho, como também ao longo de todo o meu percurso académico.
À minha namorada, por todo o apoio e motivação constante.
E por fim, a todos os meus amigos que ajudaram e me acompanharam neste percurso.
Palavras-chave Câmara de conservação; energia renovável; sistema de refrigeração; sistema fotovoltaico.
Resumo A crescente necessidade de desenvolvimento de câmaras frigoríficas com au-tonomia energética alargada é atualmente um tema que suscita enorme in-teresse na indústria alimentar. Em zonas distantes ou sem acesso à rede elétrica torna-se necessária a integração de tecnologias de refrigeração mó-veis que não comprometam a qualidade dos produtos armazenados. Por outro lado, reconhece-se também uma maior preocupação com o ambiente, verificando-se cada vez mais a integração de energias renováveis em diversos tipos de equipamentos, com o objetivo de diminuir as emissões de dióxido de carbono para a atmosfera e reduzir o consumo de eletricidade proveni-ente da rede. Na presproveni-ente dissertação foi elaborado um projeto de uma câmara frigorífica com autonomia energética alargada, que surgiu no âm-bito de uma competição entre universidades portuguesas, promovida pela empresa Unilever-Jerónimo Martins. A competição “Sou OLÁ” visou a ela-boração do projeto e construção de um protótipo de um veículo de venda de gelados inovador, disruptivo e autónomo do ponto de vista energético. Para isso, o presente trabalho consistiu no estudo e dimensionamento de uma câmara de conservação de gelados que garantisse que o seu conteúdo não atingisse temperaturas superiores a −18◦C, durante oito horas consecutivas de funcionamento, sem a necessidade de ligação à rede elétrica. Com o intuito de cumprir os objetivos pretendidos, realizou-se uma revisão biblio-gráfica acerca das tecnologias existentes e possíveis de integrar no projeto. Apresentou-se como proposta uma nova configuração de uma câmara frigorí-fica com gavetas, que permite a melhor organização dos gelados, originando uma redução do tempo em que o interior da câmara se encontra em contacto com o exterior. Esta proposta é vantajosa tanto a nível energético, como a nível de organização e gestão do tempo durante a venda de gelados. Os resultados obtidos, de acordo com uma análise energética e comparação en-tre as câmaras frigoríficas existentes no mercado, e a configuração proposta neste projeto, permitem concluir que na última se verifica uma redução de cerca de 77% de perdas de energia. No entanto, tendo em conta que a intro-dução de um sistema de refrigeração na câmara frigorífica requer uma fonte de alimentação do sistema, foi projetado um sistema de duas baterias e um inversor que garantem o funcionamento da câmara durante as oito horas, nas condições pretendidas. Propõe-se ainda a criação de um posto fixo de abastecimento através de um sistema de painéis fotovoltaicos, cujo principal objetivo está centrado no carregamento de um sistema de baterias, que po-derá ser trocado por aquele que se encontra no veículo, quando necessário. O posto estará ainda conectado à rede elétrica para que o carregamento não seja comprometido em situações meteorológicas desfavoráveis, como a ausência de radiação solar. Tendo em conta os resultados obtidos neste pro-jeto, concluímos que a solução proposta é mais eficiente a nível energético, comparativamente às soluções existentes no mercado, tendo-se atingido a autonomia pretendida. Esta poderá ainda oferecer uma variedade de solu-ções interessantes às empresas comercializadoras de gelados que poderão originar um aumento das vendas.
Keywords Photovoltaic systems; refrigerating chamber; refrigerating system; renewable energy.
Abstract The growing need for the development of refrigerating chambers with exten-ded energy autonomy is nowadays a theme which rouses great interest in the Food Industry. In remote zones, or with no access to the electrical network, it becomes necessary to incorporate mobile refrigeration technologies which do not compromise the quality of the stored products. On the other hand, there is also a greater concern for the environment and, therefore, there is an increasingly widespread integration of renewable energies in different types of equipment, with the main purpose of reducing the emissions of carbon dio-xide into the atmosphere and of lowering the consumption of electricity from the electrical network. In this Masters dissertation, we developed a project of a refrigerating chamber with extended energy autonomy, which was initially idealized in a competition involving Portuguese Universities, sponsored by a company called Unilever-Jerónimo Martins. The competition, which was entitled “Sou OLÁ”, had the twofold purpose of designing the project and the construction of a prototype of an innovative ice cream sales vehicle, dis-ruptive and autonomous from an energetic point of view. With this purpose, the present work consisted of the studying and subsequent designing of an ice cream storage chamber which could guarantee that its content would not reach temperatures above 18◦C for eight consecutive hours of operation without having to connect to the electrical network. With the purpose of at-taining the desired conditions, a literature review was carried out on existing and potential technologies that would incorporate the project. Our proposal involved a new configuration of a refrigerating chamber with drawers, which allows the better organization of the ice creams, thus originating a reduction of the time in which the inside of the chamber is in contact with the outside. This proposal is advantageous not only in energetic terms, but also in organi-zational and time management during the selling process of ice cream. The obtained results, according to an energy analysis and comparison between existing refrigerating chambers on the market, and the configuration which is proposed in this project, allow us to conclude that in this last one there is a reduction of approximately 77% of loss of energy. However, bearing in mind that the introduction of a cooling system in the refrigerating chamber requires a system power supply, a system of two batteries was designed and an inverter that ensures the chambers operates throughout the eight hours in the desired conditions. We also propose the creation of an immobile sup-ply point through a system of photovoltaic panels, whose main objective is centered on the charging of a battery system which may be changed for the one in the vehicle whenever necessary. The station will still be connected to the electrical network so that the loading process is not compromised in un-favorable weather conditions, such as the absence of solar radiation. Taking into account the results which were obtained in this project, it is possible to conclude that the proposed solution is more energy-efficient compared to other existing solutions on the market, having attained the desired auto-nomy. We consider that this option may also offer a variety of interesting solutions to the companies that produce and sell ice cream.
Índice
Lista de Tabelas iii
Lista de Figuras v
Lista de Abreviaturas vii
1 Introdução 1 1.1 Enquadramento . . . 1 1.2 Objetivos . . . 2 1.3 Estrutura da dissertação . . . 3 2 Revisão bibliográfica 5 2.1 Fundamentação teórica . . . 5 2.1.1 Princípios da Termodinâmica . . . 5
2.1.2 Modos de transferência de calor . . . 9
2.2 Sistemas de refrigeração . . . 13
2.2.1 Refrigeração por compressão a vapor . . . 13
2.2.2 Refrigeração por absorção . . . 14
2.2.3 Refrigeração termoelétrica . . . 15
2.2.4 Sistemas eutéticos . . . 15
2.3 Câmaras frigoríficas existentes . . . 16
2.4 Noções de projeto de câmaras frigoríficas . . . 17
2.4.1 Armazenamento de gelados . . . 17
2.4.2 Temperatura exterior de projeto . . . 18
2.4.3 Propriedades do ar húmido . . . 20
2.4.4 Irradiação solar incidente na superfície terrestre . . . 23
2.4.5 Carga térmica . . . 28
2.5 Componentes da câmara frigorífica . . . 33
2.5.1 Isolamento térmico . . . 33 2.5.2 Refrigerante . . . 34 2.5.3 Sistema de refrigeração . . . 34 2.5.4 Compressor . . . 37 2.5.5 Condensador . . . 39 2.5.6 Evaporador . . . 40 2.5.7 Válvula de expansão . . . 42 2.5.8 Componentes auxiliares . . . 45
2.6 Fontes energéticas para sistemas de alimentação . . . 45 i
3 Parametrização do projeto 51
3.1 Enquadramento na competição “Sou OLÁ” . . . 51
3.1.1 Condições de funcionamento . . . 51
3.1.2 Veículo projetado na competição “Sou OLÁ” . . . 52
3.1.3 Dimensões . . . 53
3.2 Características do projeto . . . 54
3.2.1 Zona de estudo . . . 54
3.2.2 Orientação geográfica de estudo . . . 55
3.3 Etapas do projeto . . . 56
3.4 Configurações a analisar . . . 57
3.4.1 Configuração 1- Câmara frigorífica convencional . . . 57
3.4.2 Configuração 2 - Câmara frigorífica com gavetas . . . 58
4 Dimensionamento da câmara frigorífica 61 4.1 Dimensionamento de alguns parâmetros essenciais ao projeto . . . 61
4.1.1 Determinação da temperatura exterior de projeto . . . 61
4.1.2 Determinação das propriedades do ar húmido . . . 63
4.1.3 Dimensionamento do isolamento térmico . . . 64
4.1.4 Determinação da carga térmica- Configuração 1 . . . 64
4.1.5 Determinação da carga térmica- Configuração 2 . . . 72
4.1.6 Comparação entre as configurações 1 e 2 . . . 74
4.2 Dimensionamento dos componentes da câmara . . . 74
4.2.1 Seleção do fluido refrigerante . . . 75
4.2.2 Sistema de refrigeração . . . 75
4.2.3 Componentes da câmara . . . 77
4.3 Dimensionamento da fonte de alimentação da câmara . . . 81
4.3.1 Dimensionamento do sistema de baterias . . . 81
4.3.2 Dimensionamento do sistema de painéis PV . . . 83
4.4 Análise energética do sistema . . . 85
4.4.1 Consumos energéticos . . . 85
4.4.2 Emissões de CO2 . . . 86
4.4.3 Eficiência energética do sistema . . . 87
4.5 Caderno de encargos . . . 88
4.5.1 Lista dos componentes . . . 88
4.5.2 Disposição dos componentes . . . 89
4.5.3 Análise económica . . . 90
4.5.4 Ficha técnica . . . 91
5 Considerações finais 93 5.1 Conclusões . . . 93
Lista de Tabelas
2.1 Características principais câmara frigorífica 125 Pushy da Fricon. . . 17
2.2 Pratical Storage Life (PSL) de um gelado para diferentes temperaturas de armazenamento . . . 18
2.3 Composição percentual do ar atmosférico. . . 20
2.4 Valores da constante dos gases para o ar seco e para o ar húmido . . . 21
2.5 Fatores de correção para diferentes tipos de clima. . . 27
2.6 Tipo de aplicação de um compressor. . . 39
2.7 Classificação dos tipos de evaporadores existentes. . . 40
3.1 Dimensões interiores da câmara frigorífica. . . 53
3.2 Dimensões e área de cada uma das faces da câmara frigorífica. . . 53
3.3 Dimensões de um gelado e quantidade máxima armazenada na câmara frigorífica. . . 54
3.4 Coordenadas GPS da localidade Amareleja. . . 55
3.5 Tempos de operação para a câmara frigorífica convencional. . . 58
3.6 Tempos de operação para a câmara frigorífica com gavetas. . . 59
4.1 Valores das temperaturas exteriores de projeto de verão, para a localidade de Amareleja, adaptados da literatura. . . 62
4.2 Temperaturas exteriores de projeto usadas. . . 62
4.3 Valores temperaturas e pressões no exterior da câmara frigorífica. . . 63
4.4 Parâmetros relativos ao ar do exterior da câmara. . . 63
4.5 Parâmetros relativos ao ar do interior da câmara. . . 64
4.6 Valores para cálculo da posição solar, para o dia 21 de junho. . . 65
4.7 Valores para conversão entre os registo LST e LAT, no formato horário (hh:mm:ss). . . 66
4.8 Hora do nascer e do pôr do sol e a duração de um dia solar, para o dia 21 de junho em LST e LAT, no formato horário (hh:mm:ss). . . 66
4.9 Valores das constantes necessárias para o cálculo do fator de transmissão atmosférica τb. . . 66
4.10 Variação horária de ω, θ, τb e Gcb, relativamente à superfície do teto. . . . 67
4.11 Variação horária, formato (horas:minutos), de ω, θ, τbe Gcb, relativamente às superfícies das paredes frontal e traseira. . . 68
4.12 Variação horária, formato (horas:minutos), de ω, θ, τbe Gcb, relativamente à superfície da parede este. . . 68
4.13 Variação horária, formato (horas:minutos), de ω, θ, τbe Gcb, relativamente à superfície da parede oeste. . . 69
tradicional. . . 71
4.16 Valores para cálculo da parcela da infiltração, qinf, para a configuração tradicional. . . 71
4.17 Valores da carga térmica total e das parcelas da mesma. . . 71
4.18 Valores para cálculo do fator de densidade, Fm e calor latente e sensivel, q, para a configuração com gavetas. . . 73
4.19 Valores para cálculo do fator de abertura da porta, Dt, para a configuração com gavetas. . . 73
4.20 Valores para cálculo da parcela da infiltração, qinf, para a configuração com gavetas. . . 73
4.21 Valores da carga térmica total e das parcelas da mesma. . . 73
4.22 Temperaturas e pressões de evaporação e condensação do refrigerante R134a. 76 4.23 Valores das temperaturas, pressões, entalpias e entropias em cada fase do ciclo representado nas figuras 2.11a e 2.11b. . . 76
4.24 Valores do fluxo mássico do refrigerante e das entalpias para cada ponto do sistema de refrigeração. . . 76
4.25 Potências dos componentes do sistema de refrigeração da câmara. . . 76
4.26 Potências dos componentes do sistema de refrigeração da câmara obtidos pelo software de simulação Coolpack. . . 77
4.27 Características principais do compressor FFU 100HAK. . . 78
4.28 Características principais do condensador UC UFU 100HAK. . . 79
4.29 Características principais do evaporador dimensionado. . . 79
4.30 Características principais do dispositivo medidor selecionado. . . 80
4.31 Características principais do inversor de corrente selecionado. . . 82
4.32 Características principais das baterias selecionadas. . . 82
4.33 Caracateristicas principais do painel PV selecionado. . . 84
4.34 Valores dos consumos de energia elétrica e energia primária para as ligações à rede e ao posto de abastecimento. . . 86
4.35 Emissões de CO2 relativas à produção de energia elétrica para a ligação à rede. . . 86
4.36 Valores do COP para a ligações à rede e ao sistema de baterias . . . 87
4.37 Orçamento dos equipamentos selecionados para o projeto. . . 90
Lista de Figuras
2.1 Ciclo de compressão a vapor de carnot; (a) Esquema dos componentes e
trocas de calor do ciclo; (b) Diagrama TS. . . 7
2.2 Métodos possíveis de TES. . . 7
2.3 Armazenamento de energia térmica como calor latente para o caso da mudança de fase sólido-líquido . . . 8
2.4 Exemplo de sistema de compressão de vapor. . . 13
2.5 (a) Processo de Absorção ocorre no recipiente direito, causando o efeito de refrigeração no lado esquerdo; (b) O processo de separação do refrigerante ocorre no recipiente direito, como resultado do calor adicional de uma fonte exterior . . . 14
2.6 Câmara frigorífica modelo 125 Pushy da Fricon. . . 16
2.7 Curva de geração de valores horários da temperatura do ar . . . 19
2.8 Ângulos Solares; (a) Superficie horizontal; (b) Superficie vertical. . . 26
2.9 Fluxo de massas de ar frio e quente que ocorrem numa câmara de refrige-ração com portas abertas . . . 29
2.10 Esquema de um sistema de refrigeração de compressão a vapor teórico. . . 35
2.11 Curvas representativas da figura 2.10; (a) Curva da temperatura em função da entropia; (b) Curva da pressão em função da entalpia . . . 35
2.12 Ciclo de compressao a vapor real; (a) Esquema; (b) Diagrama PH. . . 36
2.13 Designs comuns de evaporadores tubulares. (a) Bobina zigzag plana; (b) Bobina oval; . . . 40
2.14 Evaporador prato em serpentina . . . 41
2.15 Evaporador prato em serpentina . . . 41
2.16 Exemplo de um tubo capilar. . . 43
2.17 Esquema de uma válvula de expansão automática. . . 44
2.18 Esquema de válvulas flutuantes simples. (a) Válvula flutuante de alta pressão; (b) Válvula flutuante de baixa pressão . . . 44
2.19 (a) Celula PV; (b) Modulo PV; (c) Painel PV . . . 46
2.20 Sistema de armazenamento de energia de baterias. . . 46
3.1 Veículo de venda de gelados, projetado para o concurso “Sou OLÁ”; (a) Vista frontal; (b) Vista lateral. . . 52
3.2 Câmara frigorífica inserida no veículo. . . 52
3.3 Dimensões em milímetros das faces da câmara frigorífica; (a) Porta e Pa-rede Traseira; (b) PaPa-redes Laterais ; (c) Teto e Piso. . . 53
3.4 Vista geográfica da localidade de Amareleja, retirado do programa Google Earth. . . 54
3.8 Configuração 2- Câmara frigorífica com gavetas . . . 58
3.9 Câmara frigorífica com gavetas contendo o dispositivo protetor. . . 59
4.1 Curva da distribuição horária da temperatura do ar exterior na Amareleja. 62 4.2 Parcela da transmissão durante um dia . . . 65
4.3 Radiação solar nas paredes da câmara frigorífica . . . 69
4.4 Variação horária da parcela da transmissão com o efeito da radiação . . . 70
4.5 Valores percentuais das parcelas da carga térmica, para a configuração tradicional . . . 72
4.6 Carga Térmica total e a percentagem de cada uma das parcelas, para a configuração 2. . . 74
4.7 Compressor FFU 100HAK da Embraco . . . 78
4.8 Unidade condensadora, modelo UC UFU 100HAK, da Embraco. . . 79
4.9 Válvula de expansão termoestática, modelo PAN0, da Dunan. . . 80
4.10 Sistema de alimentação da câmara. . . 81
4.11 Inversor 300W 12Vdc 220Vac Soft Start, da Mercury. . . 82
4.12 Bateria 12V 100Ah, da AlcoaSport. . . 83
4.13 Irradiação solar incidente no sistema de painéis PV, durante as 8 horas de funcionamento. . . 84
4.14 Controlador de carga selecionado. . . 85
4.15 Lista dos componentes do projeto. . . 88
4.16 Disposição dos elementos dimensionados relativamente à câmara frigorí-fica; (a) Baterias e inversor; (b) Unidade condensadora. . . 89
Lista de Abreviaturas
Lista de acrónimos
Símbolo Designação
AC Corrente alternada
AST Apparent solar time
AU Unidade astronómica
BES Battery energy storage
CFC Clorofluorcarboneto
COP Coefficient of performance
DC Corrente direta
DOD Depth of discharge
DST Daylight saving time
DX Expansão direta
EES Armazenamento de energia elétrica
EPS Poliestireno expandido
HBP High back pressure
HFC Hidrofluorcarboneto
LBP Low back pressure
LST Local standard time
PAG Potencial de aquecimento global
PCM Phase change material
PH Pressão-entalpia
PU Poliestireno
PSL Pratical storage life
PV Fotovoltaico
PU Poliuretano
PWM Pulse width modulation
TES Armazenamento de energia térmica
TS Temperatura-entropia
Lista de símbolos
Símbolo Designação Unidades
am Fração derretida kg
Atotal Área total exterior da câmara m2
AP V Área do painel fotovoltaico m2
a0 Constante
-a1 Constante
-Cp Calor específico J/(kg.K)
dn Dia do ano
-E Poder emissivo de uma superfície rad
Eo Fator de excentricidade rad
Eposto Emissões de CO2 na ligação ao posto kgCO2 Eprotetor Eficiência do dispositivo protetor da abertura -Erede Emissões de CO2 na ligação à rede elétrica kgCO2
Et Equação do tempo min
Fm Fator de densidade
-g Constante gravitacional m/s2
GP V Irradiação solar incidente no painel fotovoltaico W/m2
h Entalpia J/kg
hext Entalpia do ar exterior da câmara kJ/kg
hint Entalpia do ar interior da câmara kJ/kg
h1 Entalpia do ponto 1 kJ/kg
h2 Entalpia do ponto 2 kJ/kg
h3 Entalpia do ponto 3 kJ/kg
h4 Entalpia do ponto 4 kJ/kg
HL Calor latente de fusão kJ/kg
Hp Altura da abertura da porta m
HN 1 Hora a que ocorre a temperatura mínima do ar horas HN 2 Hora a que ocorre a temperatura mínima do ar,
no dia seguinte
horas
HX Hora a que ocorre a temperatura máxima do ar horas
Ls Longitude do meridiano de referência ◦ (graus)
kb Constante
-k Condutividade térmica W/(m.K)
M Massa molar g/mol
m Massa kg
˙
me fluxo mássico kg/hora
˙
mr Fluxo mássico do refrigerante kJ/kg
Nd Duração de um dia solar horas
P Número de aberturas da porta
-Pil Potência dos equipamentos de iluminação W pn Número de pessoas no interior da câmara
-Pot Potência dos motores W;
PutilP V Potencia fornecida pelo painel fotovoltaico W q Calor latente e sensível de infiltração, para fluxo
completamente estabelecido
kW
Q Transferência de energia térmica J
˙
Q Fluxo de transferência de energia térmica atra-vés das fronteiras do sistema
W
˙
Qc Potência do condensador kW
˙
Qe Capacidade de refrigeração ou potência do eva-porador
kW
Qinf Parcela da infiltração kW
Qmotores Consumo elétrico dos motores W h qM ET Calor gerado pelo metabolismo de uma pessoa W/hora Qrad Radiação solar absorvida pelo painel fotovoltaico kW
Qtrans Parcela da transmissão kW
Qtotal Carga térmica total kW
q00x Fluxo de calor unidimensional que atravessa o material
W/m2
r Distância do entre o Sol e a Terra, em função do dia do ano
km
ro Distância do entre o Sol e a Terra média km
R Constante dos gases J/(mol.K)
Rda Constante dos gases para o ar seco J/(kgdaK)
Rg Constante dos gases J/(g.K)
r0 Fator de correção climático
-r1 Fator de correção climático
-rk Fator de correção climático
-Rtotal Resistência térmica K/W
Rw Constante dos gases para o ar húmido J/(kgwK)
TN 1 Temperatura mínima do ar ◦C
TN 2 Temperatura mínima do ar, no dia seguinte ◦C
Te Temperatura de evaporação ◦C
Tenv Temperatura do meio envolvente ◦C
Tc Temperatura de condensação ◦C
Text Temperatura do ar no exterior da câmara frigo-rífica
til Tempo de funcionamento da iluminação horas.
Ti Temperatura inicial K
Tf Temperatura final K
Tm Temperatura de mudança de fase K
tm Tempo de funcionamento do motor horas;
tp Tempo de permanência das pessoas no interior da câmara
horas
Ts Temperatura da superfície ◦C
TX Temperatura máxima do ar ◦C
T1 temperatura da superfície do material atingida pelo fluxo
K
T2 Temperatura da superfície do material onde se inicia a transferência de calor
K
Uglobal Coeficiente de transferência global de calor W/(m2.K) ve Velocidade do fluxo que atravessa as fronteiras
do sistema
m2
˙
W Fluxo do trabalho resultante do sistema ˙
Wc Potência do compressor kW
z elevação a cima de um plano horizontal de refe-rência
Símbolo grego Designação Unidades
α Altitude solar ◦ (graus)
β Ângulo de inclinação da superfície ◦ (graus)
γ Azimute solar ◦ (graus)
δ Declinação solar ◦ (graus)
∆T Diferença de temperaturas K
∆Tevap Diferença de temperaturas no evaporador ◦C
ηP V Eficiência do painel fotovoltaico %
ηinversor Eficiência do inversor %
ηbateria Eficiência da bateria %
θ Ângulo de incidência ◦ (graus)
θp Tempo de abertura e fecho da porta s
θo Tempo que a porta se mantém aberta min
θd Período total de funcionamento horas
µ Grau de saturação %
ρext Densidade do ar exterior da câmara kg/m3
ρint Densidade do ar interior da câmara kg/m3
τ Ângulo do dia rad
τb Fator de transmissão atmosférica
φ Latitude da superfície ◦ (graus)
φrh Humidade relativa %
ω Ângulo horário ◦ (graus)
Unidade Designação A Ampere Ah Ampere-hora kJ Quilojule kg Quilograma kW Quilowatt kW h Quilowatt-hora
kW he Quilowatt-hora relativo ao consumo de energia elétrica
kW he Quilowatt-hora relativo ao consumo de energia primária K Graus Kelvin kP a Quilopascal m Metros m2 Metros ao quadrado m3 Metros ao cubo min Minutos mol Mole rad Radianos s Segundos V Volt W Watt
Capítulo 1
Introdução
Este primeiro capítulo tem como objetivo contextualizar e apresentar o projeto que foi desenvolvido e que vai ser relatado nesta dissertação. Inclui três secções, designadamente: o enquadramento teórico, os objetivos delineados para a elaboração e desenvolvimento do projeto e, por último, a estrutura do projeto.
No enquadramento da dissertação 1.1, faz-se a identificação e a apresentação inicial da problemática em estudo, de acordo com a investigação relevante. De seguida, procede-se à definição do objetivo geral da disprocede-sertação e dos objetivos específicos que orientaram esta dissertação 1.2. Termina-se o primeiro capítulo com a apresentação do plano geral da dissertação onde se descreve a estrutura geral desta 1.3 e se apresenta, resumidamente, o assunto tratado em cada um dos cinco capítulos que a constituem.
1.1
Enquadramento
O presente projeto surge no seguimento da competição “Sou OLÁ” organizada pela empresa Unilever-Jerónimo Martins. Esta competição realizou-se pela primeira vez no ano de 2016, e visou a elaboração do projeto e a construção de um protótipo de um veículo de venda de gelados para a marca OLÁ.
Participaram nesta competição quatro equipas de cinco alunos, uma por cada uma das universidades que concorreram: Universidade de Aveiro, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Universidade do Minho e o Instituto Superior Técnico de Lisboa. A nossa equipa, representante da Universidade de Aveiro, obteve o segundo lugar.
A referida marca de gelados pretende o desenvolvimento de um sistema de refrigera-ção com autonomia energética, durante um intervalo de tempo estipulado. No decorrer da competição, foi projetado um veículo que incluiu no seu interior uma câmara frigorí-fica. Para se desenvolver tal finalidade, foram impostos constrangimentos ao sistema de refrigeração, tanto pela OLÁ como pelo conceito estabelecido pela equipa.
No contexto anteriormente apresentado, a presente dissertação desenvolve-se com o intuito de projetar uma câmara frigorífica, que satisfaça os critérios pretendidos e que possa ser usada tanto para a venda de gelados como para outras aplicações.
Para além da indústria alimentar, existem outras áreas com crescente necessidade do desenvolvimento de câmaras frigoríficas autónomas. Uma das áreas mais investigadas e com maior necessidade deste tipo de aparelhos autónomos é o armazenamento de vacinas, administradas em áreas remotas. Em zonas sem acesso à eletricidade, ou com acesso
intermitente à mesma, as vacinas podem ser danificadas e perder as suas caraterísticas e utilidade [1].
Outra das vertentes consideradas nesta dissertação é o facto de que cada vez mais existe uma maior preocupação com o ambiente, o que tem estado na origem da criação da nova legislação que limita o uso de alguns dos fluidos refrigerantes mais poluentes, utilizados em sistemas frigoríficos. Por outro lado, teve-se também em consideração o aumento do custo da eletricidade e reconhece-se que tem vindo a aumentar a investiga-ção de tecnologias de refrigerainvestiga-ção inovadoras, que possam ser vantajosas, quer a nível económico quer a nível ambiental [2].
Pelos objetivos anteriormente expostos, surge o objetivo de avaliar a possibilidade de integração de fontes renováveis no projeto, como forma de suprir as necessidades energéticas do mesmo, conferindo-lhe autonomia.
1.2
Objetivos
Assumindo que a presente dissertação se desenvolveu a partir da elaboração de um projeto que visou a construção de um protótipo de um veículo de venda de gelados para uma conhecida marca do mercado, e que esta pretendia o desenvolvimento de um sistema de refrigeração com autonomia energética, durante um intervalo de tempo esti-pulado, definiu-se, no desenvolvimento do presente projeto, como objetivo geral, estudar e projetar uma câmara frigorífica móvel com autonomia alargada.
Com vista à consecução do objetivo geral, definiram-se cinco objetivos de estudo mais específicos, que se passam a enumerar:
• efetuar a análise energética de uma configuração tradicional de câmara para vendas de gelados;
• efetuar a análise energética de uma configuração proposta para uma câmara frigo-rífica;
• dimensionar a câmara frigorífica proposta;
• selecionar e integrar uma fonte energética, caso seja necessário;
• avaliar a funcionalidade do sistema projetado, de acordo com os constrangimentos impostos.
O primeiro objetivo específico, desenvolvido numa fase inicial do projeto, consiste na realização de uma análise energética de uma configuração tradicional de uma câmara frigorífica, com dimensões conhecidas e alvo de estudo detalhado no capítulo três.
O segundo objetivo específico, prende-se com a análise energética de uma configuração proposta para uma câmara frigorífica, para as dimensões anteriormente referidas. Caso se verifique uma eficiência energética superior à apresentada pelo modelo já existente, será feito um novo dimensionamento da eficiência energética.
configu-1.Introdução 3
O quinto e último objetivo específico, permite avaliar a funcionalidade do sistema projetado, de acordo com os constrangimentos impostos ao longo do desenvolvimento do projeto.
1.3
Estrutura da dissertação
A presente dissertação está organizada em cinco capítulos.
O primeiro capítulo está dividido em três secções: enquadramento, objetivos e es-trutura da dissertação. Este capítulo tem como finalidade apresentar e contextualizar a investigação, pelo que compreenderá uma introdução ao projeto, onde são descritos os seus objetivos e enquadramento teórico.
No segundo capítulo, faz-se uma revisão bibliográfica relevante para o tema da dis-sertação, e para suporte do dimensionamento e projeto da câmara. Neste capítulo, sub-dividido em seis secções, estão descritas as tecnologias disponíveis, e são apresentados diferentes sistemas de refrigeração, bem como as fontes energéticas compatíveis com es-tes sistemas. São ainda apresentadas noções necessárias ao projeto da câmara frigorífica bem como dos seus componentes essenciais. Para uma melhor compreensão destes tó-picos, será ainda feita uma fundamentação teórica com base nos princípios gerais da Termodinâmica, que serão referidos ao longo dos restantes capítulos.
No terceiro capítulo, subdividido em quatro secções, apresentam-se as características do projeto, o seu enquadramento na competição “Sou OLÁ”, as etapas de desenvolvi-mento do projeto e, por último, as configurações da câmara frigorífica a utilizar. Ainda no terceiro capítulo, apresentam-se todos os constrangimentos impostos ao projeto da câmara frigorífica e dos seus componentes, tendo em conta o problema que se pretende solucionar. Neste contexto, é feita uma parametrização do projeto, enunciando-se os parâmetros específicos e características da câmara frigorífica essenciais ao seu funciona-mento.
No quarto capítulo, apresenta-se o dimensionamento da câmara frigorífica alimen-tada por um sistema autónomo e foi categorizada em cinco secções: dimensionamento de alguns parâmetros essenciais ao projeto, dimensionamento dos componentes da câmara, dimensionamento da fonte de alimentação da câmara, análise energética do sistema e o caderno de encargos. Ao longo do quarto capítulo, serão determinados todos os aspe-tos correspondentes à carga térmica da câmara frigorífica para, posteriormente, serem dimensionados os seus componentes. Ainda nesta secção, serão selecionados os compo-nentes mais adequados ao projeto, com recurso à utilização de catálogos fornecidos por empresas e, tendo por base a revisão bibliográfica, apresentada no capítulo dois.
O quinto capítulo encontra-se subdividido em duas secções: conclusões e sugestões para trabalhos futuros. Neste capítulo, descrevem-se as considerações finais do projeto, apresentando-se as conclusões da dissertação relativamente aos resultados obtidos, bem como as dificuldades encontradas. Faz-se ainda uma análise relativamente ao cumpri-mento dos objetivos propostos, e do grau de sucesso na sua consecução. Posteriormente, será ainda feita uma análise das limitações do projeto, cuja resolução é sugerida para desenvolvimento de trabalhos futuros.
Capítulo 2
Revisão bibliográfica
No presente capítulo, faz-se uma revisão bibliográfica relevante ao tema da disserta-ção, para apoio ao dimensionamento e projeto da câmara. O presente capítulo encontra-se organizado em encontra-seis encontra-secções. Na primeira 2.1, é feita uma fundamentação teórica com base nos princípios gerais da Termodinâmica, que serão referidas ao longo dos restantes capítulos. Seguidamente, na secção 2.2 é feita uma abordagem aos diferentes sistemas de refrigeração. Na secção seguinte 2.3 são apresentadas as tecnologias inerentes às câma-ras frigoríficas existentes. Na secção 2.4 são apresentadas noções de projeto de câmara frigorífica. Na penúltima secção 2.5 descrevem-se os principais componentes de câma-ras frigoríficas. Por fim, na última secção 2.6 descrevem-se as fontes energéticas para sistemas de refrigeração.
2.1
Fundamentação teórica
Esta secção aborda algumas matérias da Termodinâmica e outros conceitos essenciais à compreensão de toda a revisão bibliográfica. A fundamentação teórica é composta por duas subsecções, que são: os princípios da Termodinâmica e os modos de transferência de calor.
2.1.1 Princípios da Termodinâmica
Nesta subsecção são descritos alguns princípios e conceitos da Termodinâmica neces-sários a uma melhor compreensão da dissertação. Alguns dos assuntos abordados são os conceitos de energia, entalpia e entropia, a Lei da Conservação de Energia e os ciclos de refrigeração.
A Termodinâmica é o estudo da energia, das suas transformações e relações com o estado da matéria.
Entende-se por sistema termodinâmico a região no espaço ou a quantidade de matéria ligada por uma superfície fechada. Tudo o que é externo ao sistema é considerado o meio envolvente. O sistema é separado do seu meio envolvente por limites que podem ser móveis ou fixos, reais ou imaginários.
A energia é definida como a capacidade de produzir um efeito e é classificada na forma de energia armazenada ou energia na forma transiente [3].
A maioria dos processos de engenharia são analisados como sendo processos em regime estacionário. Isto significa que todas as quantidades associadas ao sistema não variam com o tempo.
A primeira Lei da Termodinâmica, também conhecida por Lei da Conservação da Energia, representada na equação 2.1, descreve um balanço de energia, num sistema aberto ou fechado. A diferença entre a energia que entra e a que sai de um sistema é igual à energia armazenada nesse mesmo sistema.
X entra ˙ m(h +v 2 e 2 + gz) − X sai ˙ m(h +v 2 e 2 + gz) + ˙Q − ˙W = 0 (2.1) Onde: ˙ me é o fluxo mássico; h é a entalpia;
ve é a velocidade do fluxo que atravessa as fronteiras do sistema; gé a constante gravitacional;
zé a elevação a cima de um plano horizontal de referência; ˙
Qé o fluxo de transferência de energia térmica através das fronteiras do sistema; ˙
W é o fluxo do trabalho resultante do sistema. Ciclo de refrigeração de compressão
Os ciclos de refrigeração transferem energia térmica de uma região, a uma determi-nada temperatura, para uma região com uma temperatura mais elevada. Geralmente, a região de temperatura mais elevada, a que recebe energia térmica, é o ar ambiente ou água usada para o arrefecimento de um equipamento.
A performance de um ciclo de refrigeração é denominada por coefficient of perfor-mance, COP, que traduz a razão entre a quantidade de calor removido de um sistema pela energia necessária ao seu funcionamento, também referido como consumo energético [3].
Admitindo que um motor térmico que opera entre dois reservatórios, um quente e um frio, funcione segundo um ciclo em que todos os processos são reversíveis, este ciclo é também reversível. Se o ciclo for revertido, o motor térmico transforma-se num refrigerador. Este ciclo é denominado por ciclo de Carnot [4].
A figura 2.1 representa o esquema dos componentes e trocas de calor do Ciclo de Carnot e respetivo diagrama de temperatura em função da entropia, TS.
2.Revisão bibliográfica 7
(a) (b)
Figura 2.1: Ciclo de compressão a vapor de Carnot; (a) Esquema dos componentes e trocas de calor do ciclo; (b)Diagrama TS [3].
Armazenamento de Energia Térmica (TES)
O armazenamento de energia térmica, também conhecido com thermal energy storage, TES, pode ser descrito como armazenamento de frio, cold storage, ou de calor, heat storage. O frio ou calor são acumulados num meio de armazenamento, para poderem fornecer a respetiva energia térmica, quando for necessário, para arrefecer ou aquecer.
Os métodos de armazenamento de energia necessitam ser reversíveis para que seja possível utilizar a energia guardada. Estes processos podem ser divididos em físicos ou químicos, e alguns dos métodos possíveis estão representados na figura 2.2 [5].
Figura 2.2: Métodos possíveis de TES[5]
Estes métodos serão mais aprofundados nos capítulos seguintes, com o objetivo de verificar se poderão trazer benefícios no projeto da arca frigorífica.
O calor transferido entre dois corpos pode ser classificado como calor sensível ou calor Jorge Tiago Alves Ferreira Tavares Dissertação de Mestrado
latente.
Designa-se por calor sensível, quando se observa uma mudança de temperatura num determinado corpo, em que não ocorre mudança de fase. A capacidade de armazenamento térmica durante este processo é baseada na diferença de temperatura e no calor específico. A equação 2.2 permite quantificar o calor sensível armazenado num sistema térmico.
Q = Z Tf
Ti
mCp∆T (2.2)
Quando, numa transferência de calor, ocorre uma mudança de fase, verifica-se uma troca de calor latente. A equação 2.3, permite quantificar o calor latente armazenado num sistema térmico.
Q = Z Tm Ti mCp∆T + mamHL+ Z Tf Tm mCp∆T (2.3) Onde:
Qé a transferência de energia térmica, em J; Ti é a temperatura inicial, em K;
Tm é a temperatura de mudança de fase, em K; HL é calor latente de fusão, em kJ/kg;
am é a fração derretida, em kg; Tf é a temperatura final, em K; mé a massa, em kg;
Cp é o calor específico, em J/(kg.K) ∆T é a diferença de temperaturas, em K.
Na figura 2.3, encontra-se ilustrada a variação do calor armazenado, da forma sensível e latente, com o aumento da temperatura.
Figura 2.3: Armazenamento de energia térmica como calor latente para o caso da mu-dança de fase sólido-líquido [5].
2.Revisão bibliográfica 9
2.1.2 Modos de transferência de calor
Nesta subsecção estão descritos os três modos de transferência de calor: condução; convecção; radiação. Para além destes, é ainda abordado o conceito de resistência térmica que será bastante útil para os cálculos subsequentes relacionados com o projeto.
A energia pode ser transferida através de interações de um sistema com o meio que o rodeia. Essas transferências podem ocorrer por meio da realização de trabalho ou da transferência de calor.
Condução
A condução é um fenómeno de transferência de calor num meio, que pode ser um sólido ou um fluido, quando neste existe um gradiente de temperatura.
A transferência de calor por condução é representada pela Lei de Fourier, que pode ser usada para determinar o fluxo de calor, dependendo da distribuição da temperatura num determinado meio e é descrita pela equação 2.4.
#»q00
= −k∇T (2.4)
Assume-se que a troca de calor é efetuada em regime estacionário, ou seja, o fluxo é constante ao longo do tempo e para o caso prático da condução de calor através de uma parede, o fluxo de calor, qx, é unidimensional e encontra-se representado pela equação 2.5.
qx00= −kT2− T1
L (2.5)
Onde:
qx00 é o fluxo de calor unidimensional que atravessa o material, em W/m2; ké a condutividade térmica do material, em W/(m.K);
T2 é a temperatura da superfície do material onde se inicia a transferência de calor, em K;
T1 é a temperatura da superfície do material atingida pelo fluxo, em K; Lé o comprimento do material, em m.
A Lei de Fourier aplica-se em toda a matéria, independentemente do seu estado (so-lido, líquido ou gasoso). Esta lei também pode descrever as trocas de calor por condução num sistema térmico em regime transiente, onde o fluxo varia com o tempo, e a um nível multidimensional. A equação de difusão do calor, que descreve o sistema e tridimensional e em regime transiente, está representada na equação 2.6 [6].
∂ ∂x k∂T ∂x + ∂ ∂y k∂T ∂y + ∂ ∂z k∂T ∂z + ˙q = ρCp ∂T ∂t (2.6) Convecção
A convecção é um processo de transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento, que esteja em contacto com esta, quando existe um gradiente de temperaturas entres os dois.
Este processo divide-se em dois mecanismos: a difusão de calor e a advecção. A advecção consiste na transmissão de energia provocada pelo movimento macroscópico do fluido. A difusão ou condução foi descrita anteriormente, na presente subsecção. Existem dois tipos de convecção: forçada e natural.
A convecção forçada ocorre quando o fluxo do fluido é gerado por meios exteriores, tais como: um ventilador; uma bomba; a ação do vento.
A convecção natural ocorre quando o fluxo do fluido é induzido pela impulsão, resul-tante das diferenças de densidade geradas pelas variações de temperatura do fluido, como por exemplo: componentes que se encontram com uma temperatura elevada, dispostos verticalmente. O ar em contacto com estes componentes aquece, e por consequência a sua densidade diminui. O ar aquecido, tornou-se mais leve que o restante ar que o rodeia e, por isso, devido à impulsão, tem tendência a subir enquanto é substituído pelo ar circundante.
Independentemente do tipo de convecção, este processo é dado pela equação 2.7.
qx00= h (Ts− T∞) (2.7)
A equação 2.7 é conhecida como a Lei de Newton do Arrefecimento. É assumido que esta expressão seja positiva, ou seja, que Ts é superior a Tenv. Isto significa que a transferência de calor ocorre da superfície para o fluido. Se Tenv for superior a Ts, transferência de calor ocorre no sentido inverso, do fluido para a superfície e é dada pela equação 2.8 [6].
2.Revisão bibliográfica 11
Radiação
A radiação é a energia emitida por matéria que se encontra a uma temperatura diferente de zero. A sua emissão está relacionada com as alterações das configurações dos eletrões dos respetivos constituintes atómicos ou moleculares. A energia de radiação é transportada por ondas eletromagnéticas, e não necessita de um meio para se propagar, ao contrário da condução e da convecção. Não só é possível que se propague através do vácuo, mas é através deste que a propagação é mais eficiente. Um exemplo pode ser a emissão de energia do Sol que alcança a Terra e se propaga através do vácuo.
O fluxo a que a energia é emitida por unidade de área é designado por poder emissivo da superfície, Eb. Existe um limite superior do poder emissivo que é descrito pela Lei de Stefan-Boltzmann, expressa pela equação 2.9.
Eb = δTs4 (2.9)
Esta lei aplica-se a uma superfície designada por radiador ideal ou corpo negro. O fluxo de calor emitido por uma superfície real é menor que num corpo negro e é dado pela equação 2.10, onde ε é uma propriedade radiante de uma superfície que se designa por emissividade. Esta propriedade avalia a eficiência com que uma superfície emite energia comparativamente a um corpo negro. O seu intervalo de valores situa-se em 0 ≤ ε ≤ 1.
E = εδTs4 (2.10)
A taxa a que a radiação incide numa superfície, por unidade de área, é designada por irradiação, G. A irradiação pode ser total ou parcialmente absorvida. A taxa de absorção de irradiação, por unidade de área, Gabs, é determinada com o conhecimento da propriedade radioativa de uma superfície, conhecida por absortividade, αabs. Esta taxa é dada pela equação 2.11.
A absortividade, αabs, encontra-se no intervalo 0 ≤ αabs≤ 1. Se αabs> 1a superfície é opaca e parte da radiação é refletida. Se a superfície for semitransparente, parte da irradiação pode ser transmitida.
Gabs= αabsG (2.11)
Assumindo que ε = αabs, condição designada por superfície cinzenta, o fluxo de calor por radiação é obtido através da equação 2.12.
qrad00 = εEb(Ts) − αabsG = εδ(Ts4− Tenv4 ) (2.12) No caso da superfície estar em contacto com um gás, existe simultaneamente trans-ferência de calor por radiação e por convecção e, assim, o fluxo de calor é determinado pela equação 2.13 [6].
q00= q00conv+ q00rad= h(Ts− T∞) + εδ(Ts4− Tenv4 ) (2.13)
Resistência Térmica
Os três modos de transferência de calor foram descritos ao longo da presente subsec-ção. A partir das equações 2.5, 2.7 o fluxo de transferência de calor, qx, é expresso pela equação 2.14.
qx = qx00A = ∆T
Rtotal (2.14)
Onde Rtotal é denominado por resistência térmica total, a qual é expressa em K/W e possui diferentes formas para a condução, convecção e radiação.
Este conceito aplica-se no caso da transferência de calor unidimensional, sem geração de energia, e com propriedades constantes.
Por tudo isto, obtêm-se as equações da resistência térmica para os diferentes modos, sendo que equação que traduz a resistência térmica para a condução, Rt,cond, numa parede plana está descrita pela equação 2.15.
Rt,cond≡
Ts1− Ts2 qx
= L
kA (2.15)
Pela Lei de Arrefecimento de Newton, já descrita anteriormente pela equação 2.7, a resistência térmica para a convecção, Rt,conv, é dada pela equação 2.16.
Rt,conv≡
Ts− T∞ qx
= 1
hA (2.16)
Como as resistências térmicas para a condução e para a convecção se encontram em série, estas podem ser somadas. Assim, a equação que representa a resistência total, Rtotal é dada por 2.17.
Rtotal= 1 hiA + L kA + 1 heA (2.17)
Como as resistências da radiação superficial e da convecção atuam em paralelo e, se T∞= Tsup, estas podem ser combinadas e formar uma única resistência da superfície.
Por vezes é ainda utilizado o coeficiente de transferência global de calor, Uglobal, que é definido por uma expressão análoga à Lei do Arrefecimento de Newton, representada pela equação 2.18.
qx ≡ UglobalA∆T (2.18)
Através das equações 2.14 e 2.18, é possível relacionar o coeficiente de transferência global, Uglobal, com a resistência térmica total, Rtotal, como demonstrado na equação 2.19 [6].
Uglobal= 1
2.Revisão bibliográfica 13
2.2
Sistemas de refrigeração
Nesta secção são abordados os principais sistemas de refrigeração existentes e expli-citado o seu modo de funcionamento, fluidos refrigerantes usados, e principais caracte-rísticas e vantagens de cada um.
2.2.1 Refrigeração por compressão a vapor
Na presente subsecção é apresentado e descrito o sistema de refrigeração por com-pressão a vapor, que é dos mais usados atualmente em câmaras frigoríficas domésticas.
Este sistema utiliza um fluido refrigerante, que é uma substância que circula dentro de um circuito fechado, capaz de retirar calor de um meio enquanto se evapora a baixa pressão.
As fases de um ciclo de refrigeração de um sistema de compressão de vapor são as seguintes:
1. O fluido refrigerante entra no evaporador a baixa pressão, na forma de mistura bifásica, e retira energia sob a forma de calor do meio refrigerado, enquanto passa para o estado de vapor.
2. O vapor entra no compressor, onde é comprimido e bombeado, deslocando-se de seguida para o condensador. Ao passar pelo compressor, a pressão aumenta e o vapor entra no estado de vapor sobreaquecido.
3. Ao entrar no condensador, o fluido liberta energia sob a forma de calor para o meio exterior. Assim, ocorre o fenómeno de condensação, em que o fluido passa do estado de vapor sobreaquecido para o estado líquido.
4. O fluido, ao sair do condensador, entra na válvula de expansão, onde a sua pressão é reduzida, regressando ao evaporador, para assim se repetir o ciclo [7].
Na figura 2.4, estão representadas as fases explicadas anteriormente.
Figura 2.4: Exemplo de sistema de compressão de vapor [7].
2.2.2 Refrigeração por absorção
Em comparação com outros processos de refrigeração, em que o calor retirado do meio a refrigerar é desperdiçado após o processo, como a refrigeração por compressão de vapor, o processo de refrigeração por absorção reaproveita esse calor através de um processo de refrigeração operado a calor .
Outra diferença entre o processo de refrigeração por compressão a vapor e o de refri-geração por absorção são os fluidos usados. Como os primeiros fazem uso dos Cloroflu-orocarbonetos, CFCs, hidrofluorcarbonetos, HFCs, entre outros, que são prejudiciais ao ambiente, em particular à camada de ozono, e sendo o uso destes restritos pelos motivos anteriormente mencionados, a utilização do método de refrigeração em análise é muito mais desejada. Contudo, apesar deste processo de refrigeração apresentar bastantes van-tagens em relação ao de compressão por vapor, este último continua a ser o mais utilizado atualmente .
O fluido usado num sistema de refrigeração por absorção é uma solução binária com-posta por um refrigerante e um absorvente.
Na figura 2.5a encontram-se dois recipientes conectados entre si. O recipiente es-querdo contém um líquido refrigerante, enquanto que o direito contém uma solução de fluido refrigerante com absorvente. A solução no recipiente direito absorve o vapor do re-frigerante do lado esquerdo, originando uma redução da pressão no recipiente esquerdo. Enquanto o vapor é absorvido, a temperatura, do fluido refrigerante que sobra, dimi-nui devido à sua evaporação. Assim, é causado um efeito de refrigeração no recipiente esquerdo, enquanto que a solução do direito se torna mais diluída, devido ao maior con-teúdo de refrigerante absorvido. Este processo é denominado por processo de absorção. Este processo é, normalmente, exotérmico, portanto é dissipado calor para o exterior, para que o sistema mantenha a sua capacidade de absorção.
Quando a solução não consegue continuar com o processo de absorção, devido à saturação do refrigerante, este deve ser separado da solução diluída. Este fenómeno é denominado por processo de separação, e consiste em fornecer calor ao recipiente direito, com o intuito de extrair o refrigerante da solução, como demonstra a figura 2.5b. Ao receber energia, sob a forma de calor, o vapor do refrigerante condensa, ao dissipar calor para o meio envolvente.
(a) (b)
Figura 2.5: (a) Processo de Absorção ocorre no recipiente direito, causando o efeito de refrigeração no lado esquerdo; (b) O processo de separação do refrigerante ocorre no recipiente direito, como resultado do calor adicional de uma fonte exterior[8].
2.Revisão bibliográfica 15
ser produzido continuamente, uma vez que os dois processos não se realizam simultane-amente. Como o processo de separação se realiza a uma pressão superior à do processo de absorção, é necessário introduzir uma bomba de circulação para auxiliar a circulação da solução do lado direito para o esquerdo [8].
2.2.3 Refrigeração termoelétrica
A presente subsecção retrata o sistema de refrigeração termoelétrico. Assim, são abordados os seguintes assuntos: modo de funcionamento, as vantagens e desvantagens em relação a outros sistemas de refrigeração, os estudos existentes e melhorias estudadas desta tecnologia, bem como possíveis aplicações.
A refrigeração termoelétrica, TEC, consiste na conversão de energia elétrica em calor ou frio, através do efeito Peltier [9]. O sistema é composto por um circuito elétrico ligado a dois condutores sólidos. Um dos condutores encontra-se a uma temperatura superior à do outro e enquanto existir uma diferença de temperatura entre estes, uma corrente elétrica atravessa o circuito. Essa corrente elétrica atua como um fluido refrigerante, em que os eletrões se movem pelo sistema, transportando a energia sob a forma de calor extraída da área a refrigerar e desta forma cria-se o efeito de refrigeração. Este fenómeno é denominado por efeito Seebeck invertido [10], [11].
Esta tecnologia apresenta diversas vantagens em relação à refrigeração por compressão a vapor, tais como o facto do equipamento conter partes amovíveis mínimas, melhor controlo de temperatura e a ausência de um fluido refrigerante. Estes fatores dão origem a equipamentos mais robustos, compactos e silenciosos em comparação com o sistema de compressão a vapor.
Contudo, deve-se referir que apresenta duas desvantagens bastantes importantes, que se prendem com o elevado consumo de energia e baixa eficiência, razões pelas quais a tecnologia é pouco utilizada.
A investigação realizada tem-se concentrado, pois, na diminuição do consumo energé-tico e no aumento da eficiência. Assim, têm surgido várias soluções, tais como o evapo-rador de metanol com efeito termoelétrico integrado, o refrigeevapo-rador híbrido que combina a termoeletricidade com o sistema de vapor a compressão e o refrigerador doméstico termoelétrico de criação de gelo.
As evoluções registadas em estudos de sistemas TEC centram-se na melhoria da re-sistência térmica dos permutadores de calor. No entanto, a melhoria da performance dos permutadores de calor, normalmente, resulta em perdas de pressão e, consequentemente, no aumento de consumo energético de equipamentos auxiliares [9].
Este tipo de sistema de refrigeração é ideal para aplicações em aparelhos portáteis de tamanho reduzido. Assim, poderá ser usado em câmaras frigoríficas portáteis e câmaras de conservação de bebidas, por exemplo, para transporte em carros para uso pessoal [12].
2.2.4 Sistemas eutéticos
Os sistemas eutéticos podem ser constituídos por tubos ocos ou por placas. Estes contêm uma solução eutética que armazena energia térmica, TES, para produzir um efeito de arrefecimento sempre que necessário com a finalidade de manter a temperatura ideal no interior da arca frigorífica. Estes sistemas diferenciam-se dos sistemas convencionais de refrigeração na medida em que não recorrerem à expansão de um gás.
Os eutéticos absorvem o calor, enquanto se mantêm na temperatura de mudança de fase, o que permite que a temperatura da arca se mantenha constante durante algum tempo. Este tipo de material é denominado por phase change material, PCM, ou por material de mudança de fase.
Como vantagens dos sistemas eutéticos salientam-se: modo de funcionamento silen-cioso; fonte de frio fiável; rápida absorção de calor; reduz a carga térmica necessária a extrair do interior da arca frigorífica; peso reduzido.
Por estes motivos, os sistemas eutéticos são idealmente aplicados em situações móveis, onde não é possível a integração de um sistema de refrigeração convencional, ou em transporte de produtos perecíveis [13].
2.3
Câmaras frigoríficas existentes
Na presente secção são apresentadas as tecnologias inerentes às câmaras frigoríficas existentes.
Uma vez que as câmaras frigoríficas e veículos utilizados pela marca Olá para venda de gelados são produzidas pela empresa Fricon, elaborou-se uma pesquisa dos modelos e sistemas usadas por esta empresa.
Nesta secção encontra-se representado o modelo mais recente de um veículo de venda de gelados da Fricon, a câmara 125 Pushy, ilustrada na figura 2.6
Figura 2.6: Câmara frigorífica modelo 125 Pushy da Fricon [14].
Este modelo consiste na integração de uma arca frigorífica numa bicicleta. Num pequeno contentor separado da arca encontra-se uma unidade condensadora que é ligada à rede elétrica, para que no início do período de funcionamento a temperatura do seu interior esteja nas condições pretendidas.
Foram introduzidos sistemas eutéticos no seu interior com o intuito de prolongar a autonomia energética da câmara. No entanto, a autonomia garantida pela marca é de apenas 6 horas, para uma temperatura de −16◦C.
As características principais deste modelo estão enumeradas na tabela 2.1
Os modelos de câmaras frigoríficas para venda de gelados anteriores a este, utilizam apenas sistemas eutéticos para a conservação da temperatura, que devem ser trocados regularmente, tendo uma autonomia inferior à do modelo 125 Pushy. Quer o veículo
2.Revisão bibliográfica 17
Tabela 2.1: Características principais câmara frigorífica 125 Pushy da Fricon [14].
Modelo 125 Pushy
Fabricante Fricon
Sistemas utilizados • Refrigeração por compressão a vapor • Eutéticos
Consumo 3, 28kW h/6h
Temperatura garantida −16◦C
2.4
Noções de projeto de câmaras frigoríficas
Uma câmara frigorífica tem como função principal garantir a conservação dos produ-tos armazenados. Essa conservação pode ser realizada de duas formas: arrefecimento e congelamento.
Enquanto que o arrefecimento é a diminuição da temperatura de um produto, desde a sua temperatura inicial até à temperatura de congelamento, o congelamento é a dimi-nuição da temperatura de um produto, partindo da temperatura de congelamento. Na maioria dos alimentos, a temperatura de congelamento é próxima de 0◦C.
Com o intuito de obter as condições desejadas tanto de temperatura, como de humi-dade relativa, a câmara frigorífica necessita de remover a carga térmica do seu interior [15]. Para que esta carga seja determinada, é fulcral conhecer as seguintes informações:
• natureza do produto;
• temperatura de armazenamento;
• frequência de entradas e saídas dos produtos; • temperaturas de entrada dos produtos nas câmaras; • humidade relativa interna e externa;
• duração de armazenamento, por produto; • incidência da radiação solar.
Estes parâmetros são analisados nos subcapítulos seguintes. 2.4.1 Armazenamento de gelados
Na presente subsecção são abordados algumas assuntos relativos ao armazenamento do produtos congelados, tais como: tempo de vida e temperatura de armazenamento. Tempo de vida
Um fator normalmente usado para descrever o tempo de vida de um produto é de-nominado por pratical storage life, PSL. O PSL de um produto é o período de armaze-namento, depois do congelamento, em que o produto mantém as suas propriedades e, simultaneamente, se mantém próprio para consumo [16]. A tabela 2.2 representa o PSL de um gelado para diversas temperaturas.
Tabela 2.2: Pratical Storage Life (PSL) de um gelado para diferentes temperaturas de armazenamento [16].
Temperatura de Armazenamento (◦C) -12 -18 -24
Tempo de Armazenamento (meses) 1 6 12
Temperatura de armazenamento
O fator com mais influência na qualidade de um produto congelado é a flutuação da temperatura do seu armazenamento. Se o produto armazenado for exposto a ciclos de temperatura resultantes na alteração da temperatura do produto, o seu tempo de vida reduz-se significativamente.
No caso específico dos gelados, é aconselhado que estes sejam transportados a −20◦C, e que, idealmente a temperatura de armazenamento não ultrapasse os −18◦C. No en-tanto, considera-se que poderão existir oscilações de temperatura, no máximo, de 3◦C, o que permite que a temperatura no interior da câmara frigorífica atinja um máximo de −15◦C, apenas por breves instantes.
A humidade relativa de uma câmara frigorífica para conservação de gelados deve ser 90% [17].
2.4.2 Temperatura exterior de projeto
Os critérios adotados em alguns países, para o estabelecimento de temperaturas exte-riores de projeto, recorrem a valores horários dos dados climáticos de base, nomeadamente da temperatura e da humidade do ar.
Como em Portugal os valores horários da temperatura apenas estão disponíveis em suporte informático para algumas estações meteorológicas, houve necessidade de recorrer a métodos que melhor estimem esses valores.
A geração de valores horários da temperatura do ar é realizada com base nos valores de temperatura máximos e mínimos diários registados, em cada estação meteorológicas. O método utilizado para essa geração de valores é o proposto por Petricevic, o qual é descrito pelas equações 2.20 e 2.21.
T (t) = TX + TN 1 2 − TX − TN 1 2 cos 180 HX− HN 1 (t − HN 1) , (2.20) para HN 1≤ t ≤ HX; T (t) = TX+ TN 2 2 + TX − TN 2 2 cos 180 24 − HX + HN 2 (t − Hx) (2.21) para Hx≤ t ≤ 24 + HN 2.
2.Revisão bibliográfica 19
Onde:
TX é a temperatura máxima do ar, em ◦C; TN 1 é a temperatura mínima do ar, em ◦C;
TN 2 é a temperatura mínima do ar no dia seguinte, em ◦C; HX é a hora a que ocorre temperatura máxima, em horas; HN 1 é a hora a que ocorre a temperatura mínima, em horas;
HN 2 é a hora a que ocorre a temperatura mínima do dia seguinte, em horas.
Estas equações traduzem-se graficamente por uma curva composta por dois ramos sinusoidais de períodos diferentes, representado na figura 2.7. O primeiro, entre a hora da temperatura mínima e a máxima do dia em questão; já a segunda, entre esta e a hora da temperatura mínima do dia seguinte [18].
Figura 2.7: Curva de geração de valores horários da temperatura do ar, adaptado de [18].
Dados climáticos de verão
Na literatura analisada encontraram-se os parâmetros climáticos de verão determina-dos para 86 estações meteorológicas. Esses parâmetros são os seguintes:
• temperatura exterior de projeto de termómetro seco; • temperatura exterior de projeto de termómetro molhado; • amplitude térmica diária;
• número médio de graus-dias de arrefecimento.
A utilização da curva-tipo da evolução diária da temperatura num dia extremo de verão, ilustrada na figura 2.7, é um método que fornece resultados bastantes satisfatórios, na previsão da variação horária da temperatura do ar.
As temperaturas exteriores de projeto encontram-se listadas para diferentes probabi-lidades acumuladas de ocorrência das mesmas num verão típico. Para os dados climáticos de verão, considera-se o período entre o dia 1 de junho e 30 de setembro.
As probabilidades de ocorrência de 90%, 95%, 97,5% e 99% correspondem às tem-peraturas que serão igualadas ou excedidas durante cerca de 300, 150, 75 e 30 horas, respetivamente, nas condições anteriormente referidas.
A regulamentação nacional define como condições extremas de projeto de verão: • a temperatura exterior de projeto, designada como temperatura de bolbo seco cuja
probabilidade acumulada de ocorrência é de 97,5%;
• a humidade exterior de projeto, como humidade específica absoluta que ocorre simultaneamente com a temperatura de projeto definida.
Para o método apresentado pelas equações 2.20 e 2.21, os valores horários em que as temperaturas são máximas e mínimas são, 5 horas e 15 horas, respetivamente. Estes valores são registados para o local standard time, LST, que representa o tempo local registado no relógio. Assim, HX = 15e HN 1= HN 2= 5 [18].
2.4.3 Propriedades do ar húmido
Na presente subsecção, são descritos alguns conceitos e propriedades relativamente ao ar húmido, tanto no exterior como no interior da câmara frigorífica, tais como: a humidade relativa, a entalpia e a densidade.
Assim, foi realizada uma revisão bibliográfica acerca dos seguintes assuntos: consti-tuição do ar atmosférico, relação dos gases perfeitos para o ar seco e o ar húmido e os parâmetros da humidade.
Constituição do ar atmosférico
O ar atmosférico é composto por vários componentes gasosos, como o vapor de água e contaminantes, como o pólen, o fumo e outros poluentes.
O ar seco representa o ar atmosférico desidratado, em que tanto o vapor de água, como os diversos contaminantes presentes são inexistentes. A sua composição é relativamente constante e, segundo Harrison (1965), a percentagem aproximada está presente na tabela 2.3.
Tabela 2.3: Composição percentual do ar atmosférico [3]. Azoto Oxigénio Outros gases
78,084 20,948 0,968
O ar húmido é composto por uma mistura de ar seco com vapor de água. A quantidade de vapor de água varia entre zero, ar seco, até um máximo que depende da temperatura e da pressão. A saturação é um estado de equilíbrio neutro entre o ar húmido e a fase de condensação da água, que pode ser líquida ou sólida. A constante dos gases, R é
2.Revisão bibliográfica 21
Tabela 2.4: Valores da constante dos gases para o ar seco e para o ar húmido Rda[J/(kgdaK)] Rw[J/(kgwK)] Mda[g/mol] Mw[g/mol] R [J/(mol.K)]
287,055 461,520 28,9645 18,01528 8314,41
A temperatura e pressão barométrica variam consideravelmente com a altitude e posição geográfica e condições meteorológicas. Assim, consideram-se como condições atmosféricas padrão, ao nível da água do mar, uma pressão atmosférica de 101, 325kP a, para um temperatura atmosférica de 15◦C.
Relação dos gases perfeitos para o ar seco e para o ar húmido
Com o objetivo de se determinar os parâmetros relativos à humidade do ar, é neces-sário fazer uma análise da relação dos gases perfeitos para os seus constituintes.
Tanto o ar seco como o vapor de água são considerados gases perfeitos. As equa-ções 2.23 e 2.24 descrevem a lei dos gases perfeitos para o ar seco e para o ar húmido, respetivamente.
pdaVar = ndaRTabs (2.23)
pwVar = nwRTabs (2.24)
Como o ar húmido é considerado uma mistura de gases perfeitos independentes, também o ar seco e o vapor de água obedecem à equação dos gases perfeitos 2.26.
pVar = nRTabs (2.25)
Onde, p = pda+ pw é a pressão total da mistura, e n = nda+ nw é o número total de moles da mistura. Assim, obtém-se a equação 2.26.
(pda+ pw)Var = (nda+ nw)RTabs (2.26) Através das equações 2.23, 2.24 e 2.26, obtêm-se as equações das frações molares do ar seco, xda e do vapor de água, xw, 2.27 e 2.28, respetivamente.
xda= pda pda+ pw = pda p (2.27) xw = pw pda+ pw = pw p (2.28) Parâmetros da humidade
Neste ponto são descritos alguns conceitos que concernem o cálculo e a compreensão de matérias relacionadas com a humidade do ar, essenciais à determinação das humidades relativas do ar exterior e interior da câmara e respetivas entalpias. Para tal, as matérias abordadas são as seguintes: humidade absoluta, humidade absoluta à pressão de satura-ção, humidade relativa, grau de saturasatura-ção, volume específico, entalpia e densidade do ar húmido.
