ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE COLETOR ADSORTIVO

ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE

COLETOR ADSORTIVO

Por

Herbert Melo Vieira

Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade Federal da Paraíba

Para obtenção do grau de Mestre.

João Pessoa – Paraíba

Fevereiro, 2009

Universidade Federal da Paraíba Centro de Tecnologia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Herbert Melo Vieira

ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE

COLETOR ADSORTIVO

Dissertação de Mestrado apresentada ao curso

de Pós – Graduação em Engenharia Mecânica

da Universidade Federal da Paraíba, em

cumprimento às exigências para a obtenção do

Grau de Mestre.

Orientador: Professor José Maurício Alves de Matos Gurgel

V657e Vieira, Herbert Melo.

Estudo teórico e experimental de coletor adsortivo / Herbert Melo Vieira. - - João Pessoa: [s.n.], 2009.

96 f.

Orientador: José Maurício Alves de Matos Gurgel.

Dissertação (Mestrado) – UFPB/CT.

1.Engenharia Mecânica. 2.Refrigeração 3.Radiação solar. 4. Adsorção. 5. Sílica gel.

Dedicatória

Aos meus pais Cirilo Vieira

Filho e Maria do Socorro Melo

Vieira, a minha irmã Hérica Melo

Vieira e a minha grande

companheira Carla Silva de Lima.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais Círilo Vieira Filho e Maria do Socorro Melo Vieira pelo incentivo e apoio, a minha irmã Hérica Melo Vieira 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, Raimundo Maria, Joselma Araújo, Márcio, Márcia, Agda, Suerda, pela amizade e apoio.

A todos os professores e funcionários do Laboratório de Energia Solar (LES), pelo apoio dispensado.

ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE COLETOR

ADSORTIVO

RESUMO

O presente trabalho apresenta alternativas viáveis e simples que venham contribuir para melhorar o desempenho de um sistema de refrigeração por adsorção, que utiliza a energia solar como fonte de calor para promover a elevação da temperatura do leito poroso, ocorrendo assim, o processo de dessorção, que é a separação do adsorbato do adsorvente. Os estudos feitos constituíram na modificação da geometria da placa absorvedora de tubular para triangular, o que ocasionou um aumento na área de contanto entre a placa e o adsorvente, que foram analisadas através de um programa computacional que simula o ciclo de um sistema de refrigeração por adsorção. Outro estudo proposto é a retirada de uma tela concêntrica, que tem como finalidade promover o fluxo radial do adsorbato durante os processos de adsorção/dessorção, a retirada desta tela tem como objetivo verificar se com a modificação do fluxo do adsorbato de radial para axial a um aumento na concentração de adsorbato no leito poroso e se ocorre o fenômeno adsortivo ao longo de toda coluna, possibilitando assim, um processo construtivo do coletor plano tubular mais simples, esta etapa do trabalho, é apresentada através de resultados experimentais, verificando a concentração e temperatura em duas colunas adsortivas durante o período de adsorção.

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF COLLECTOR

ADSORPTIVE

ABSTRACT

This paper presents simple and feasible alternatives that will help improve the performance of a refrigeration system by adsorption, which uses solar energy as a heat source to promote the raising of the temperature of the porous bed, thus occurring, the process of desorption, which is the separation of the adsorbent adsorbato. The studies were made in the modification of the geometry of the absorber plate for triangular tube, which caused an increase in the area provided between the plate and the adsorbent, which were analyzed by a computer program that simulates the cycle of a refrigeration system by adsorption . Another study proposed is the removal of a concentric screen, which aims to promote the flow of radial adsorbato during the processes of sorption, the withdrawal of this screen aims to verify whether the change in the flow of adsorbato of radial to the axial an increase in the concentration of adsorbato the porous bed and if the phenomenon occurs throughout the entire adsorptive column, thus enabling a constructive process of collecting tubular simple plan, this phase of work, is shown through experimental results, verifying the concentration and temperature in two adsorptive columns during the adsorption.

IX

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO---17

1. MOTIVAÇÃO---17

1.1 OBJETIVOS---18

1.2 DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS---19

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA---22

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA---22

2.1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA---23

3. FONTES DE ENERGIA---23

3.1 ENERGIA E MEIO AMBIENTE---24

3.2 ENERGIA SOLAR---26

3.3 COLETOR SOLAR---27

3.4 FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO---28

3.4.1 TIPOS DE ADSORÇÃO---29

3.4.2 CLASSIFICAÇÃO DOS POROS---30

3.4.3 TERMODINÂMIDA E ISOTERMAS DE ADSORÇÃO---30

3.4.4 ISORTEMA DE LANGMUIR---33 3.4.5 ISORTEMA DE FREUNDLICH---33 3.4.6 ISORTEMA DE BET---34 3.4.7 ISORTEMA DUBININ-ASTAKHOV---35 3.5 TIPOS DE ADSORVENTES ---37 3.5.1 SÍLICA GEL---37 3.5.2 ZEÓLITA---38 3.5.3 CARVÃO ATIVADO---39 3.5.4 ALUMINA ATIVADA---39 REFRIGERADOR SOLAR---40 4 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMETO---40

4.1 MODELAGEM MATÉMATICA E DISCRETIZAÇÕES---43

4.3 MODELO PARA O COLETOR SOLAR/REATOR---47

4.3.1 PLACA ABSORVEDORA---48

4.3.2 COEFICIENTE DE PERDAS---50

4.3.3 FATOR DE FORMA GEOMÉTRICO---52

4.3.4 FLUXO DE RADIAÇÃO SOLAR SOBRE A PLACA ABSORVEDORA----56

4.3.5 TEMPERATURA EFETIVA DO CÉU---57

4.4 MODELO PARA O LEITO POROSO---57

4.5 MODELO PARA O CONDENSADOR---58

4.6 MODELO PARA O EVAPORADOR---59

4.7 ALGORITMO PARA SOLUÇÃO NUMÉRICA DO MODELO DA GELADEIRA SOLAR---62

4.8 COLETOR SOLAR TUBULAR---63

5 ALTERAÇÕES NO LEITO ADSORTIVO DO COLETOR SOLAR PLANO TUBULAR---63

5.1 PROCEDIMENTO---63

RESULTADOS E DISCUSSÕES---68

6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS COM O REATOR PLANO TUBULA--68

6.1 CARACTERISTICAS DAS COLUNAS---69

6.2 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO MATEMÁTICA---76

6.2.1 VALIDAÇÃO DO MODELO---76

6.2.2 CARACTERISTICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO SOLAR---78

6.2.3 FATOR DE FORMA GEOMÉTRICO---81

6.2.4 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO---83

6.2.5 RADIAÇÃO SOLAR---83

6.2.6 TEMPERATURA DO LEITO POROSO---84

6.2.7 CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO---85

CONCLUSÃO---90

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS---92

XI

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 - Isoterma de adsorção classificada por BRUNAUER et al.(1938)---33

Figura 4.1 – Esquema de um sistema de refrigeração por adsorção---42

Figura 4.2 - Diagrama de Clapeyron para um ciclo ideal de adsorção/dessorção---43

Figura 4.3 - Coletor solar plano triangular---50

Figura 4.4 – Coletor solar plano tubular com tubo concêntrico---50

Figura 4.5 – Vista frontal do coletor plano triangular---55

Figura 4.6 – Vista frontal do coletor plano tubular---55

Figura 4.7 – Representações das áreas hipotéticas das placas absorvedora---56

Figura 5.1 – Esquema do protótipo do reator tubular---66

Figura 5.2 – Controlador de temperatura d’água.--- ---67

Figura 5.3 – Recipiente com adsorbato de latão.---67

Figura 5.4 – Medidor de vácuo, sensor de platina, coluna adsortiva.---68

Figura 5.5 – Bomba de vácuo e coluna adsortiva.---68

Figura 5.6 - Sensores de Platina para medir a temperatura do leito.---69

Figura 5.7 – Balança digital e módula para aquisição de dados.---69

Figura 6.1a – Curvas de distribuição de temperatura nas colunas de adsorção (8 horas)---72

Figura 6.1b – Curvas de distribuição de temperatura nas colunas de adsorção (180 min.)---73

Figura 6.1c – Curvas de distribuição de temperatura nas colunas de adsorção (90 min.)---74

Figura 6.2 - Isotermas de adsorção para o vapor d’água em sílica gel---75

Figura 6.3 – Tempo de inicio do registro da temperatura pelos sensores---76

Figura 6.4 - Tempo de inicio do registro da temperatura pelos sensores---76

Figura 6.5 – Variação da massa de adsorbato nas colunas adsortivas---77

Figura 6.6 – Comparação entre resultado experimental e simulado---79

Figura 6.7 - Placas absorvedoras/reator do sistema de refrigeração solar triangular e tubular---80

Figura 6.3 Fatores de forma para o coletor triangular e tubular---84

Figura 6.9 – Variação da área do coletor triangular com as dimensões base altura---84

Figura 6.10 - curva representativa do fluxo de radiação---85

Figura 6.11 – Variação da temperatura no leito poroso---86

Figura 6.12 - Energia radiante dos coletores para o céu---87

Figura 6.13 – Diagrama de Clapeyron para um ciclo de refrigeração---87

Figura 6.14 – Massa de vapor d’água evaporada---89

Figura 6.15 - Massa de vapor d’água condensada---89

XIII

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 - Principais diferenças entre adsorção física e adsorção química---32

Tabela 3.2 - Propriedades típicas da sílica gel---40

Tabela 6.1 - Resultados dos experimento realizado por F. Lemmini e A.Errougani (2007)---78

Tabela 6.2 - Dados para a simulação numérica---81

Tabela 6.3 - Resultados comparativos entre os dois coletores---91

NOMENCLATURA

A(S) – Adsorbato no interio do sólido adsorvente Aadsorvido – Adsorbato no interior do sólido adsorvente Acoletor - Área do coletor solar (m2)

Ac – Área do coletor (m2)

Ai – Área inferior do coletor solar (m2)

Acond.água – Área entre o condensador e a água (m2)

Aadsorbatoafua – Área de troca térmica entre o adsorbato e a água a ser resfriada (m2) Β – Ângulo de inclinação do coletor solar

Cleito – Capacidade térmica do leito

Cadsovente – Capacidade térmica do adsorvente Cadsorbat o – Capacidade térmica do adsorbato

cpp- Calor específico a pressão constante da placa (J/kg.K) C – Comprimento do coletor (m)

cpadsobato – Calor específico do adsorbato (J/kg) cp.leito – Calor específico do leito poroso

cp.cond. – Calor específico do condensador (J/kg) cp.água – Calor específico da água (J/kg)

D – É uma constante que vale

n E R      

Dtri. - Base do triângulo (m) Dtub. – Diâmetro do tubo(m) E – Energia

Ffator – Fator de Forma geométrico (adimensional)

hconv.cond – Coeficiente de convecção no condensador (W/m2.K) hs – Entalpia de sorção (J/kg)

hcp – Coeficiente de contato térmico entre a placa/leito poroso obtido experimentalmente

hv - É o coeficiente de transferência de calor do vento (W/m2.K) hd – Hora do dia

XV

Liso – espessura do isolamento (m)

Lvl – Calor latente de condensação do adsorbato(J/kg)

Ls – Calor latente de solidificação do fluido a ser resfriado (kJ/kg) LLv – Calor latente de vaporização do adsorbato (kJ/kg)

KA – Constante de velocidade de adsorção Kd – Constante de velocidade de dessorção k – Condutividade Térmica (26,3.10-3 W/m.K) kiso – condutividade térmica do isolamento (W/m2.K) Madsorbato – Massa do adsorbato no evaporador (kg) Madsorbato – Massa de adsorbato (kg)

Madsorvente – Massa adsorvente (kg) mp – massa da placa absorvedora (kg) Mleito – Massa do leito poroso (kg)

Mágua – Massa de água a ser resfriada (kg) Mcond. – Massa do condensador (kg)

t m_adsorbato

∂ ∂

- Variação da massa do adsorbato no evaporador (kg/s)

t m_cond

∂ ∂

. _{- Variação da massa de adsorbato condensada (kg/s)}

n – Constante da equação de Dubinin-Astakhov que depende do adsorvente utilizado (para a sílica gel n=1)

Nc – Número de cobertura Nu – Número de Nusselt

Ps – Pressão de saturação do adsorvente a temperatura do leito poroso (kPa) Q – Energia térmica proveniente da radiação solar (W/m2)

Qs – Calor de sorção (W)

R – Constante universal dos gases (J/kg.K)

Radsolar – Fluxo de radiação solar sobre a placa absorvedora (W/m2) por (GULLEMINOT J.,1987), (17,1 W/m2 .K)

Re – número de Reynolds Pr – número de Prandtl (0,707)

Ssolar – fluxo de radiação de energia solar que o coletor recebe obtido pelo polinômio (W/m2)

Tleito – Temperatura do leito poroso (K) Tcéu – Temperatura do céu (K)

Tcéu – Temperatura do céu (K) Tma – Temperatura média anual(K) Tov – Temperatura de orvalho (K) Tcond – Temperatura do condensador (K)

Tágua – Temperatura da água de resfriamento (K) Tadsorbato – Temperatura do adsorbato (K)

Tadsorbato – Temperatura do adsorbato (K) Tágua – Temperatura da água (K)

Tp- Temperatura da placa (K)

Ui – coeficiente de perdas pela parte inferior do coletor (W/m2.K) Us- Coeficiente de perdas na parte superior do coletor (W/m2. K) UT.coletor – Coeficiente de perdas total no coletor solar (W/m2.K)

agua adsorbato

U . - Coeficiente de perdas do adsorbato para a água a ser resfriada (W/m

2 . K)

amb adsorbato

U _. - Coeficiente de perdas do adsorbato para o ambiente (W/m2. K) Us – Coeficiente de troca de calor entre o gelo e o adsorbato (W/m2. K) V – Velocidade média do vento (3,5 m/s)

W0 - Constante da equação de Dubinin-Astakhov

X – Concentração no leito poroso (kg de adsorbato/kg de adsorvente)

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)

τα - Produto entre a transmitância do vidro e a absorbância da placa (0,88) υ – viscosidade cinemática (15,82.10-6 m2/s)

19

-CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

1. MOTIVAÇÃO

O Brasil é um país que tem uma grande incidência de radiação solar, pois grande parte do seu território estão localizados em região tropical, cuja insolação média durante o ano se situa entre 16 e 20 MJ/m2/dia (Cresesb, 2000), seria vantajoso utilizar a radiação solar como fonte energética. No entanto, um sistema de adsorção que utiliza exclusivamente a radiação solar apresenta os inconvenientes de depender muito das condições climáticas do período e de possibilitar apenas um ciclo de refrigeração por dia (sistema intermitente), caso o reator seja aquecido diretamente pela radiação solar, o que limita muito a produção do efeito frigorífico.

O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre, tanto como fonte de calor quanto de luz, hoje sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos o esgotamento das fontes fosseis, que está previsto pelo Greenpeace, para daqui a 36 anos, conforme o seu relatório de 1999. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas da energia do Sol.

Os primeiros trabalhos experimentais dedicados à refrigeração, com sistemas adsortivos, foram realizados com Tchernev (1979) e Guilleminot et al (1980), que construíram protótipos usando o par zeolita/água. O par silica gel/água foi em seguida testado por Vodianitskaia e Klüppel (1984), Vodianitskaia (1984), Klüppel e Gurgel (1987), Gurgel (1986) e Gurgel e Klüppel (1986, 1988, 1992a, 1992c). Para a produção de gelo tais sistemas apresentaram dificuldades, em conseqüência 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 frigorígenos

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 freqüentemente associada a aplicações relativas à 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 (LeVan, 1998).

A adsorção é um fenômeno físico que ocorre devido ao desbalanceamento entre as forças de interação de partículas (átomos ou moléculas) que formam um sólido e aquelas de um fluido que se encontra em contato com este sólido. Em compostos microporosos (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 adsorbato, 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.

1.1 OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho visa comparar dois tipos de placas absorvedoras/reator solares com geometrias diferentes através de um modelo matemático computacional, que simula o comportamento destas alterações feitas no ciclo de refrigeração por adsorção. Alteração essa, de tubular para triangular, que contribuí para o aumento da área de fluxo de calor entre a placa e o leito adsortivo e a entrada do adsorbato que será promovido por baixo de todo o leito poroso, e experimentalmente observar os efeitos da adsorção em um leito poroso tubular entre uma coluna adsortiva com entrada do adsorbato através de uma tela concêntrica promovendo o fluxo radial, e outra coluna sem esta tela favorecendo o fluxo axial, permitindo assim o preenchimento de todo o leito com adsorvente. Verificando assim a viabilidade para a construção futura de um protótipo.

19

1.2 DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS

Em seguida é apresentada uma descrição geral dos próximos capítulos desta dissertação. O capítulo II é apresentado à revisão bibliográfica onde são mostradas algumas aplicações do sistema de refrigeração por adsorção utilizando a energia solar, assim como algumas modificações propostas por estes autores para aumentar o desempenho do sistema de refrigeração por adsorção.

No capítulo III temos 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 a parte experimental realizada com as colunas adsortivas tubular.

Capítulo V mostra a modelo matemática para simular um sistema de refrigeração por adsorção, a validação do programa pela comparação de resultados experimental e simulado, São apresentadas as equações discretizadas e o algoritmo do programa, cálculo do fator de forma geométrico.

Capítulo VI são apresentados os resultados obtidos pela alteração da geométria do coletor solar e dos experimentos em uma coluna adsortiva e a conclusão do trabalho.

CAPÍTULO II

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O aproveitamento da energia solar acompanhou o homem desde os primórdios da humanidade. Segundo Faidemraich e Lyra (1995), no século III a.c. já eram construídos espelhos parabólicos e, no segundo século antes de Cristo, Diócles descreveu um tratado sobre sistemas de espelhos parabólicos, denominados “sobre espelhos que inflamam”. Ainda na antiguidade, no primeiro século d.C. observa-se a utilização da energia solar pela civilização romana. Eles construíam com vidro na parte exterior das janelas de suas habitações, e como isso, permitiam que a radiação solar visível penetrasse no recinto e a saída da radiação infravermelha emitida pelos objetos interiores aquecidos fosse bloqueada pelos vidros, demonstrando conhecer o efeito estufa.

Foi Faraday em 1848 uns dos primeiros a descrever os princípios da adsorção de vapor por um adsorvente sólido. Contudo a história da refrigeração solar data de 1878 quando o matemático francês Augustin Mouchot demonstrou seus cálculos sobre refrigeração solar com a máquina de refrigeração absortiva, projetada por Edmond Carré, para produzir gelo e que foi apresentada no Congresso Mundial em Paris (TCHERNEV, 1979). Conta-se que o público presente ficou surpreso com o aparente paradoxo de produzir gelo a partir da luz solar.

Para os países com um elevado potencial de energia solar, produzindo frio utilizando a energia solar é uma forma promissora para o desenvolvimento sustentável, uma vez que a energia utilizada é livre e não prejudiciais para o ambiente. Os resultados mostram que o frigorífico apresenta bom desempenho em Rabat, Morocco.

-21-

O coletor, fabricado a partir de chapas de cobre 1,2 milímetros de espessura, é um paralelepípedo com lados de 85 cm e uma largura de 6 cm. Contém 14,5 kg de carvão activado AC35, que estão espalhadas entre 13 barbatanas, 85 cm de comprimento e 5 centímetros grande, cujo papel é o de permitir uma boa transferência de calor entre o adsorvente. Uma grade de aço inoxidável é utilizado a fim de criar um espaço livre de 1 cm entre a chapa traseira do colector e do carvão ativado, para o trânsito de refrigerante vapor durante a dessorção.A unidade produz frio, mesmo em dias nublados e chuvosos e as temperaturas alcançadas pela unidade pode ser inferior a -11ºC para dias com muito elevada irradiação. A energia solar coeficiente de desempenho (COP) (arrefecimento energia / energia solar), varia entre 5% e 8% para uma irradiação entre 12.000 e 28.000 kJ/m2 e uma média diária de temperatura ambiente cerca de 20 ºC. ( Lemmini et al., 2007)

Na Nigéria em 2003 foi construído um sistema de refrigeração por adsorção utilizando o par carvão ativado/metanol como adsorvente/adsorbato utilizadas chapas de vidro plano claro com uma área de 1,2 m2 exposta aos raios solares, massa coletor/reator de 60 kg, com uma radiação global média de 559,72 W/m2 foi possível obter uma temperatura no evaporador de -10ºC um COP de 0,11.(Anyanwu et al., 2003)

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 é usado um coletor solar plano que funciona empregando unicamente a energia solar de forma direta e intermitente, 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 adsorção, em sistemas que apresentam eficiência maior que um de acordo com experimentos realizados por Douss e Meunier (1989).

Sadoka e Suziki em 1984 construíram e testaram, em escala laboratorial, sistemas fechados de refrigeração adsortivo utilizando a par sílica gel – água. Os refrigeradores consistiam de: um reator contendo tubos tipo “T” usados como leito adsortivo, um condensador, um evaprador, uma lâmpada infravermelha e uma bomba de vácuo. Com este experimento ficou clara a viabilidade técnica e experimental dos refrigeradores adsortivos.

Kluppel e Gurgel (1987) construíram no Brasil dois protótipos de sistemas de refrigeração adsortiva, com o par sílica gel – água movidos apenas pela energia solar. Um dos protótipos era um pequeno refrigerador doméstico e o outro um bebedouro para fornecer água gelada. Ambos os protótipos utilizavam um coletor solar ou gerador, composto de cilindros metálicos tubos de cobre justapostos, com o interior preenchido por um leito de grânulos de adsorvente, tendo a região central oca. Estes tubos foram ligados a um manifold que fazia a ligação do gerador com o condensador. Para o protótipo do pequeno refrigerador doméstico foi obtido um coeficiente de performance (COP) de 0, 055, com o evaporador atingindo temperaturas de 4 ºC. Já o coeficiente de performance obtido pelo bebedouro de água gelada, foi de 0,077, com uma temperatura no evaporador abaixo de 12 ºC.

CAPÍTULO III

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

3. FONTES DE ENERGIA

As fontes de energia podem ser classificadas em fontes primárias ou secundárias. Por fonte de energia primária entende-se aqueles produtos energéticos providos pela natureza, na sua forma direta, como o petróleo, o gás natural, o carvão mineral, o urânio, a biomassa (lenha, cana-de-açúcar), a energia hidráulica, energia solar e outras. São 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) As fontes de energia primárias ainda podem ser classificadas em não-renováveis ou renováveis. São consideradas como fontes não-renováveis aquelas passíveis de se esgotarem por serem utilizadas com velocidade bem maior que os milhares de anos necessários 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 biomassa renovável).

Por fonte de energia secundária entende-se aqueles produtos energéticos resultantes dos diferentes centros de transformação, que tem com destino principal os diversos setores de consumo. Assim, são exemplos o óleo diesel, a gasolina, o coque de carvão mineral, o carvão vegetal, a eletricidade. 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 monta, 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 regulação, regulamentação e fiscalização, vêm 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.

3.1 ENERGIA E MEIO AMBIENTE

No contexto nacional destacam-se, pelas suas emissões, 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, se podem revelar importantes tais como:

25

• a queima de resíduos urbanos, industriais, agrícolas e florestais, feita muitas vezes, em situações incontroladas. A queima de resíduos de explosivos, resinas, tintas, plásticos e pneus é responsável pela emissão de compostos perigosos;

• os fogos florestais são, nos últimos anos, responsáveis por emissões significativas de CO2;

• o uso de fertilizantes e o excesso de concentração agro-pecuária, 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 e CO, importantes emissores de CO2 e de CO, 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. Os clorofluorcarbonetos são usados principalmente no Hemisfério Norte, que responde 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. Ao reduzir a

barreira contra os raios ultravioleta, o buraco na camada de ozônio colabora para o aquecimento global e para o derretimento das calotas polares.

Em 1987, mais de 60 países assinaram o Protocolo de Montreal para tentar reverter essa situação. A saída encontrada foi limitar a emissão dos gases que prejudicam a camada de ozônio. A meta era cortar em 50% as emissões até o fim de 1999. Segundo a Organização Meteorológica Mundial, o Protocolo de Montreal apresentou resultados, com uma lenta diminuição da concentração de CFC na atmosfera. Em fevereiro de 2003, 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.

3.2 ENERGIA SOLAR

A quantidade de energia solar que atinge a Terra em dez dias é equivalente a todas as reservas de combustível conhecidas, além de ser uma fonte energética não poluente e 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 utilizam-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.

27

3.3 COLETOR SOLAR

As aplicações da energia solar, em sistemas que requerem calor para o seu funcionamento, vêm 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 solares são um tipo especial de trocadores de calor que transformam energia radiante solar em calor, que é transferido para o leito poroso. Eles são divididos em coletores planos ou concentradores, dependendo da aplicação e temperatura requerida pelo sistema.

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.

A placa absorvedora/reator é à parte do coletor solar que é realmente responsável pela recepção, conversão e transferência da energia solar para o leito poroso. A placa absorvedora/reator é geralmente construída de tubos e chapas de material condutor (coletor solar plano). Isto é feito para aperfeiçoar as trocas térmicas entre a placa absorvedora/reator e o leito poroso. O material mais usualmente empregado na construção das placas absorvedoras/reator é o cobre, mas se pode encontrar equipamentos que usam o alumínio e até mesmo plástico, embora estes últimos sejam empregados apenas em equipamentos desenvolvidos para baixas temperaturas de operação. O cobre é utilizado pela sua excelente condutividade térmica, resistência à corrosão e facilidade de manuseio. O gabinete tem a finalidade isolar a placa absorvedora/reator do meio 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.

O isolamento deve garantir que o calor gerado pela placa absorvedora/reator não seja perdido pela caixa, ou seja, que o calor gerado seja transferido integralmente para o leito poroso. O isolamento do gabinete deve inibir as perdas pelas laterais do coletor e pelo fundo. Existe uma vasta gama de 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.

As placas absorvedoras/reator apresentam a forma de tubos com uma tela concêntrica, entre a tela e a parede interna do tubo é colocado o adsorvente. No entanto é possível alterar a geometria da placa absorvedora/reator de tal forma que aumente a área de contato entre a placa e o adsorvente.

3.4 FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO

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, a bauxita ativada, a sílica gel etc., que sejam finamente subdivididas e tratadas de modo a apresentarem uma superfície enorme relativamente a sua massa (m2/g).

-29-

Segundo Oliveira op cit. (2004), em qualquer sólido as moléculas que encontra-se em seu interior estão sujeitas a formação de ligações de igual carga, em todas as direções, já para as moléculas que encontran-se na superfície de um sólido as forças das ligações podem estar em desequilíbrio. No entanto para que ocorra a igualdade das forças de ligação nas superficies sólidas, uma outra molécula deve ser ligada a esta superfície, promovendo o fenômeno da adsorção. Estas forças de ligação são chamadas de forças de Van der Walls. No processo da adsorção ao sólido é chamado de adsorvente, enquanto ao líquido ou gás que está sendo adsorvido, é chamado de adsorbato.

3.4.1 TIPOS DE ADSORÇÃO

A adsorção pode ocorrer tanto por mecanismos físicos como por mecanismos químicos (FOUST, 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 grandeza dos 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 sobrepostas, enquanto que na adsorção química se forma uma única camada molecular adsorvida (monocamada).

Tabela 3.1 - Principais diferenças entre adsorção física e adsorção química.

ADSORÇÃO FÍSICA ADSORÇÃO QUÍMICA

Causada por forças de van der Waals. Causada por forças eletrostáticas e ligações covalentes.

Não há transferência de elétrons. Há transferência de elétrons.

Calor de adsorção = 2 - 6 kcal/mol Calor de adsorção = 10 - 200 kcal/mol.

Fenômeno geral para qualquer espécie. Fenômeno específico e seletivo. A camada adsorvida pode ser removida por

aplicação de vácuo à temperatura de adsorção.

A camada adsorvida só é removida por aplicação de vácuo e aquecimento a temperatura acima da de adsorção.

Formação de multicamadas abaixo da temperatura crítica.

Somente há formação de monocamadas. Acontece somente abaixo da temperatura

crítica.

Acontece também a altas temperaturas.

Lenta ou rápida. Instantânea.

Adsorvente quase não é afetado. Adsorvente altamente modificado na

superfície. Fonte: Revista Química Nova, Vol. 24, Nº. 6, 808-818, 2001.

3.4.2 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.

3.4.3 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, 1980; RUTHVEN, 1994).

31

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_{( )} + ← →/ (3.1) 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, 1994).

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 classificação de BET.

Figura 3.1 - 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 representas 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, 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, 1984).

33

3.4.4 ISORTEMA DE LANGMUIR

A isoterma de Langmuir é caracterizada por uma aproximação monoatônica 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 + = (3.2)

Onde: Ceq é a concentração de equilíbrio na fase líquida, 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.

3.4.5 ISORTEMA DE FREUNDLICH

Outro modelo de isoterma freqüentemente 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 . = (3.3)

Onde, Xeq é a quantidade adsorvida na fase sólida, Ceq é a concentração de e carvão equilíbrio na fase líquida e K e n são os parâmetros empíricos de Freundlich, sendo constantes que dependem de diversos fatores experimentais e se relacionam com a distribuição dos sítios ativos e a capacidade de adsorção do adsorvente. O expoente n dá uma indicação se a isoterma é favorável ou desfavorável, sendo valores de n no intervalo de 1 a 10 representam condições de adsorção favorável.

3.4.6 ISORTEMA DE BET

Este tipo de isoterma é bastante utilizado na caracterização de área superficial de carvões (RUTHVEN, 1984). Brunauer, Emmet e Teller (1938) 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:

(

)

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.

35

3.4.7 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.

A teoria de adsorção de gases e vapor em adsorventes microporosos inicia-se da teoria do potencial de adsorção de Polanyi, onde o potencial de adsorção (A), pode ser representado pela equação de trabalho de compressão isotérmico:

      = Leito Sat Leito P P T R A . ln . . (3.5)

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 ₀exp (3.6)

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 (3.7)

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 (3.8) 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 LnP (3.9)       − = Leito Sat T C B P ln (3.10)       − = . Sat Leito T C B LnP (3.11)

37

Substituindo as equações 3.9 e 3.10 em 3.7 temos:

              − − = n sat Leito T T K X X 0.exp . 1 (3.12) Onde : n C D K = . (3.13) 3.4 TIPOS DE ADSORVENTES

Segundo Oliveira op cit. (2004), os adsorventes hidrofílicos apresentam maior afinidade por substâncias polares ou seja substância que apresentam diferença de eletronegatividade entre seus átomos, por exemplo a água. Para os adsorventes hidrofóbicos os mesmos tem maior identidade por gases e compostos oleosos. Os adsorventes hidrofílicos mais utilizados são a sílica-gel e a zeólita em sistemas de refrigeração e o adsorvente hidrofóbico mais utilizado é o carvão ativado. A Estrutura química geralmente aceita destes materiais assim como a área superficial é apresentado na Tabela 3.2 (DECHOW, 1989).

3.4.1 SÍLICA GEL

A sílica gel é um composto sintético cuja principal matéria prima é o silicato de sódio. Possui propriedades higroscópicas e adsorventes, isto é, grande capacidade em desidratar o ambiente em que se encontra. Baseia-se na retirada de moléculas de líquidos e gases. A sílica gel microporosa (SiO2.n H2 O amorfo) é obtida por desidratação parcial de polímeros de ácido silicílico, que se aglomeram sob a forma de micropartículas aproximadamente esféricas de dimensões razoavelmente uniformes (compreendidas entre 2 e 20 mm) dependendo das condições da operação. A microporosidade do produto é essencialmente dependente das dimensões originais das micropartículas, as quais são determinadas através do controle rigoroso das condições de síntese. A distribuição microporosa em conjunto com a forma esférica garante uma alta densidade aparente e facilitam a passagem do gás, sem a formação de volumes mortos. A forma esférica reduz a queda de pressão ( perda de carga) em leitos, que se

mantém baixa e cresce pouco com o uso, mesmo quando sujeita a sucessiva regenerações. Algumas propriedades físicas da sílica gel podem ser observadas na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 - Propriedades típicas da sílica gel

Fórmula Química SiO2

Ph (solução aquosa) a 5% 5,5 a 6,5

Densidade de massa 0,750 g/ml

Gravidade especifica 2,2 g/ml

Teor de Sílica (1.000 ºC) 99,5 %

Cloreto de Cobalto (azul) 0,5%

Ferro Máx. 100 ppm

3.5.2 ZEÓLITA

A Zeólita são silicatos hidratados de alumínio do grupo dos alcalinos terrosos. Esse dessecante é encontrado em seu estado natural em regiões vulcânicas. A estrutura cristalina da zeólita é formada pela união de unidades primárias de tetraedros de SiO4 e AlO4. Essa união ocorre através de átomos de oxigênio, que assim dão origem a uma rede uniforme de microporos de dimensões moleculares, por onde partículas externas podem circular. Possuem cristais com microdiâmetro, que são facilmente sintetizados e são encontrados na forma de grãos com tamanho e geometria variáveis. A zeólita possui diâmetro variando aproximadamente entre 2 a 4.3 Å (angstroms). Existem mais de 40 espécies naturais e 150 espécies sintéticas de zeólitas. A zeólita é um dos adsorventes mais higroscópicos, o que lhe propicia uma alta capacidade de adsorção. Entretanto, comparada com a sílica gel, a zeólita necessita de uma temperatura de reativação mais elevada, o que dificulta sua utilização em sistemas dessecantes que desejam utilizar energia solar como fonte de calor regenerativa. É largamente utilizada em escala industrial, cujas principais aplicações se dão no setor petroquímico e na separação de gases e desidratação em geral, e ainda na troca iônica.

39

3.5.3 CARVÃO ATIVADO

O carvão ativado é um dos adsorventes mais utilizados atualmente, apesar de ter sido um dos mais antigos. A matéria prima utilizada na produção do carvão ativado pode ser de origem mineral ou vegetal. São geralmente produzidos através da decomposição térmica de um material carbonáceo a temperaturas moderadas, com o intuito de remover materiais voláteis dos poros e evitar a combustão. Depois disso, ocorre o processo de ativação do carvão em temperaturas maiores. Possui uma afinidade com substâncias orgânicas, sendo sua principal aplicação atualmente a descontaminação de água para consumo humano.

3.5.4 ALUMINA ATIVADA

Alumina ativada são óxidos e hidretos de alumínio fabricados através de processos térmicos. São obtidas da bauxita (Al2 O3 3H2 O), por desidratação e recristalização em temperaturas elevadas. Sua área especifica é em torno de 150 a 500 m2/g, para poros entre 1,5 a 6 nm. São utilizadas como dessecante na desumidificação de ar quente e purificação específica de correntes líquidas. Possui afinidade com água semelhante com a sílica gel.

CAPÍTULO IV

REFRIGERADOR SOLAR

4. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMETO

Um sistema básico de refrigeração por adsorção, onde a energia para regeneração é proveniente do sol, consiste de um coletor/reator, onde acontecem os fenômenos de dessorção e adsorção, de um condensador, onde o adsorbato é condensado durante o processo de dessorção, e de um evaporador, onde ocorre o efeito frigorífico quando o adsorbato é adsorvido pelo coletor/reator.

Figura 4.1 – Esquema de um sistema de refrigeração por adsorção.

41

De acordo com Oliveira (2004) O processo de dessorção e adsorção, que acontece dentro do leito poroso é representado frequentemente em um diagrama de Clapeyron, como podemos verificar na Figura 4.2. A equação 4.1 é usado para obter a pressão de saturação de um fluido em função da sua temperatura, sendo esta equação a base para construção dos diagramas.

(

)

Neste diagrama é possível verificar a variação da concentração mássica de adsorbato no adsorvente em relação à pressão e a temperatura no leito adsortivo. No eixo das ordenadas em escala logarítmica é representado a pressão e no eixo horizontal a temperatura é representada no formato -1/T. As condições de equilíbrio de pressão e temperatura do adsorbato é representado pela linha de saturação na Figura 4.2, as outras linhas diagonais a esquerda do diagrama indicam um estado onde a concentração mássica de adsorbato no adsorvente é constante, que são denominadas de isósteras. As linhas que encontram-se mais próximas da linha de saturação temos uma maior concentração de adsorbato no adsorvente. Com o aumento da temperatura do leito adostivo, a pressão constante é possível promover a diminuição da concentração mássica de adsorbato no adsorvente.

Inicialmente considerando que o leito poroso de um dispositivo adsortivo, esteja a temperatura Tads e pressão Pevap, o ciclo inicia-se a partir do instante em que uma

determinada quantidade de calor passa a ser fornecida ao leito poroso, o que promove o aumento da temperatura e da pressão dentro do leito poroso. À medida que a temperatura do leito poroso aumenta, devido ao calor fornecido ao mesmo, a concentração de adsorbato no interior do leito diminui, sendo este fenômeno conhecido como dessorção, em seguida o adsorbato que é o fluido refrigerante do sistema é condensado em um condensador que pode estar internamente ou externamente ao chiller adsortivo. Quando a temperatura do leito poroso chega a temperatura de trabalho ou temperatura de dessoção (Tdess), neste instante interrompe-se o aquecimento do leito e o

processo dessortivo. O produto da massa do adsorvente que se encontra dentro do leito poroso, pela diferença entre a concentração inicial (XA), e a concentração final de

adsorbarto (Xc). Na próxima fase o adsorbato que foi condensado, é direcionado ao

evaporado, e o leito poroso que esta a temperatura igual á Tdess e a pressão Pc passa pelo

processo de resfriamento, assim a temperatura e pressão do leito diminuem e a concentração mássica de adsorbato no leito encontra-se constante, e após este instante à proporção que o leito poroso é resfriado, o adsorbato que encontra-se dentro do evaporador é adsorvido pelo leito poroso, neste caso o adsorbato ao evaporar promove o efeito frigorífico. Quando o leito poroso chega a temperatura inicial, Tads, o processo de

resfriamento é parado. Para o aquecimento e resfriamento do leito poroso, pode ser utilizado um fluido térmico que é aquecido por uma fonte térmica, e tem o calor rejeitado em um dissipador de calor (torre de resfriamento), assim possível aquecer e resfriar o leito diversas vezes, ocasionando diversas fases dessortivas/adsortivas.

4.1 MODELAGEM MATÉMATICA E DISCRETIZAÇÕES

Para a elaboração do modelo matemático são consideradas algumas hipóteses, que tornam possível a simulação. As quais são mostradas em dados experimentais obtidos por Guilleminot et al. op. Cit., Os processos de adsorção e dessorção são considerados quase estáticos, hipóteses:

• A pressão é uniforme em qualquer ponto do leito adsortivo para cada instante de tempo, variando entre a pressão inicial e a pressão de condensação do adsorvato.

43

• A distribuição de temperatura no adsorvente é considerada uniforme a cada instante de tempo.

• O leito adsortivo, em presença de vapor do adsorbato, é tratado como um sólido contínuo e homogêneo.

• A distribuição de temperatura no interior do leito é uniforme, devido à pequena espessura do leito.

• O par sílica gel e água não apresenta variação nas propriedades termofísicas.

• A transferencia de calor convectiva não é levado em conta no fluxo gasoso.

4.2 EQUAÇÕES USADAS NA SIMULAÇÃO

A simulação matemática apresentada neste trabalho foi construída partindo-se da equação de Dubinin-Astakhov, que propõe uma relação entre concentração do sorbato adsorvido no adsorvente à temperatura do leio poroso e a pressão do sorbato. Sendo mostrada uma comparação entre os resultados obtidos através da alteração do coletor solar plano tubular para coletor solar plano triangular, sendo os resultados apresentados nos próximos capítulos.

A equação de condução de calor no interior do volume do leito poroso é dada por: s Leito leito S Q t T C = + ∂ ∂ . (4.2)

Considerando a aproximação que Cleito = Cadsorvente + Cadsorbato Cadsorvente= Madsorvente.cespecifico

Cadsorbato= Madsobato.cespecifíco Onde:

Cleito – Capacidade térmica do leito

Cadsovente – Capacidade térmica do adsorvente Cadsorbat o – Capacidade térmica do adsorbato S – Energia térmica proveniente da radiação solar hs – Entalpia de sorção

Qs – Calor de sorção

X – Concentração no leito poroso (kg de adsorbato/kg de adsorvente) Madsorbato – Massa de adsorbato

Madsorvente – Massa adsorvente t – Tempo

Ps – Pressão de saturação do adsorvente a temperatura do leito poroso Tleito – Temperatura do leito poroso

R – Constante universal dos gases

adsorvente adsorbato M M X = (4.3) Pela equação de Clausius – Clapeyron

      ∂ ∂ − = leito leito s T Ps T R h . 2. ln (4.4)

45

O calor de sorção e dada pela equação:

t X h M

Q_s = _adsorvente. _s.∂ _∂ (4.5) Pela equação de Dubinin-Astakhov, tem-se:

                      − = n leito s leito T P P T D W X ₀

ρ

W0 - Constante da equação de Dubinin-Astakhov; ρ(t) – massa especifica do adsorbato

n – Constante da equação de Dubinin-Astakhov que depende do adsorvente utilizado (para a sílica gel n=1).

D – É uma constante que vale

n E R       .

Reagrupando os termos da equação acima, tem-se:

                                        − − = n T leito s leito leito W X D T P P 1 0 ln . 1 . 1 ln ln ρ (4.7)

Derivando a equação (4.7) em relação à temperatura do adsorvente, tem-se:

                        ∂ ∂ +       − ∂ ∂ = ∂ ∂ −n leito s letio leito leito leito s leito s leito leito P P T T X D n W T P P T P T P ln . . ) ln( . . 1 . ln ln ln ₀ ρ (4.8) Onde: leito v T X W ∂       ∂ = ρ α ln . 0 (4.9)

αv – Coeficiente de dilatação volumétrica (1/K) E pela equação de Clausius-Clapeyron, tem-se:

2 . ln leitio s leito leito T R h T P − =       ∂ ∂ (4.10) Daí temos:

                      +       − ∂ ∂ = − −n leito s leito v leto leito s leito s leito s P P T D n T P P T P T R h ln . . . 1 . ln ln . 2

α

Isolando hs, na equação acima obtemos:

                      +       − − ∂ ∂ − = −n leito s leito v leito leito s leito leito leito s s P P T D n T P P T R T R T P h .ln . 1 ln ) . ( . . ln 2 2

α

Onde temos que:

Calor latente de mudança de fase do adsorbato

      ∂ ∂ − = leito s leito lv T P T R L . 2. ln (4.13) Sendo:

Llv Calor latente de mudança de fase do adsorbato (J/kg) Logo temos: n leito s leito leito l s letio lv s P P T D n T R P P Ln T R L h −                   + + = 1 ln . . . . . ) ( . . α (4.14)

Onde foi determinada a entalpia de sorção em função da pressão e temperatura do leito.

Determinando-se a diferencial total de Ln P (X, T), tem-se:

leito leito leito leito leito dT T p dX X p P dln ln . ln _.      ∂ ∂ +       ∂ ∂ = (4.15) Isolando X P_leito ∂ ∂ ln da equação 4.15 temos n leito s leito leito leito P P T X D n T X P −                       = ∂ ∂ 1 ln . . . 1 ln (4.16)

Substituindo as equações 4.16 e 4.10 em 4.15 temos:

leito leito s n leito s leito leito leito dT T R h dX P P T X D n T P d . . . ln . . . . . 1 ln ₂ 1       +                               = − (4.17)