2 Aparato Experimental

2

Aparato Experimental

2.1

Princípio de Funcionamento do Ciclo de Absorção

Para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado uma unidade de refrigeração por absorção completa da Electrolux modelo M-B - RA 125 a gás de amônia e água, para os experimentos e adaptações. A unidade adaptada utiliza a amônia como o refrigerante e água como o absorvente e tem a capacidade de resfriamento de aproximadamente 80W.

O conjunto é extremamente compacto, como pode ser observado nas Figuras 2.1 (a) e (b).

Figura 2.1 Unidade de refrigeração por Absorção, (a) Vista Lateral Esquerda, (b) Vista Posterior.

O ciclo de refrigeração por absorção, mostrado na Figura 2.1, não possui partes móveis, justificando assim a sua peculiaridade e economia tanto na manutenção quanto na instalação. Mesmo compacto, encontraram-se temperaturas de até – 22° C no evaporador.

O esquema do ciclo de absorção está mostrado na Figura 2.2. No esquema apresentam-se as várias seções do ciclo. No trecho (C), é fornecido calor de uma fonte quente, representado por Q3. No sistema original

ELETROLUX, a fonte é uma resistência elétrica com potência de 80 W. Será demonstrado neste trabalho, que é possível aproveitar o calor de rejeito de fontes térmicas para o aquecimento do tubo bomba do ciclo de refrigeração por absorção.

Figura 2.2 – Esquema do ciclo de refrigeração por absorção.

Ao se colocar em funcionamento o ciclo de absorção, com o aquecimento do tubo bomba em (C), a solução de amônia e água (água destilada a 66% e amônia a 34% - valores aproximados, Dossat, 1961), começa o seu movimento por convecção natural. Conforme mostra o esquema, existem dois tubos concêntricos em (C). Uma seção do tubo, seção K K, está ilustrada na Figura 2.2. No tubo central, uma solução forte de amônia e água é transportada para cima por diferença de densidade. Quando a solução chega na parte mais alta do tubo central, a água retorna pelo tubo externo, voltando para o tanque de

absorção. A amônia, na fase vapor, e a uma temperatura de aproximadamente 150°C, caminha pelo tubo (D), que é um pré-condensador, para o condensador. A amônia é resfriada pela troca de calor com o ambiente, representado por Q2. A

amônia não é totalmente condensada no condensador, coexistindo uma parte líquida e vapor. A amônia liquida, mais pesada, vai para o tubo do evaporador e o vapor de amônia, mais leve, segue pelo tubo (E) ao tanque de absorção (G). A amônia liquida, que sai do condensador e entra no evaporador, se expande para um tubo de área maior. Nesse momento, absorve o hidrogênio que vem do absorvedor e do tubo (H). O absorvedor é construído em forma de serpentina espiral, a fim de evitar que a solução fique estagnada e não prejudique a circulação do hidrogênio. No evaporador ocorre a troca de calor com a carga térmica Q1, conseguiu-se temperaturas na ordem de –20°C. No evaporador,

conforme mostrado na seção J J, da Figura 2.2, existem três tubos, sendo dois deles concêntricos. No tubo interno flui gás hidrogênio, e no tubo externo flui amônia e hidrogênio, que retorna para o tanque de absorção. No tanque de absorção, a amônia e o hidrogênio, proveniente do evaporador, se misturam com a água que lá está contida. Como a amônia tem mais afinidade com a água, ela libera o hidrogênio, que flui, por ser mais leve, para o tubo (H) e pelo absorvedor. Com a mistura de amônia e água, e a liberação do hidrogênio, forma-se uma solução forte novamente, deslocando-se para os tubos concêntricos (C), e então reiniciando o ciclo.

2.2

As Etapas Experimentais

Para o desenvolvimento deste trabalho, foram elaboradas três etapas distintas. Primeiro foram feitas medidas de temperatura em todos os pontos do ciclo, indicados na Figura 2.2. Utilizou-se, inicialmente, uma resistência elétrica com potência de 140W, como fonte térmica. Esta etapa foi importante para o conhecimento do funcionamento do ciclo, suas temperaturas e o coeficiente de desempenho, COP.

Na segunda etapa do trabalho, a resistência elétrica foi substituída por um soprador térmico que fornece uma potência de até 1400W. O soprador térmico simula uma fonte de rejeito de calor.

As experiências feitas, tanto na primeira etapa quanto na segunda etapa, mostram que o ciclo de refrigeração por absorção sofre variações rápidas de temperatura, quando a potência térmica fornecida varia.

Isso pode ser um problema quando se utiliza fontes térmicas flutuantes, como o calor fornecido pelos gases de exaustão de um motor de combustão interna. Para a minimização deste problema, construiu-se um regenerador, com o intuito de manter as temperaturas no aquecedor constantes, quando a potência térmica fosse variada. O estudo do efeito da presença deste regenerador caracterizou a terceira etapa do presente trabalho.

2.3

Descrição do Aparato Experimental

Neste item, será apresentado o aparato experimental para o desenvolvimento deste trabalho. Serão descritas as etapas do ciclo funcionando com resistência elétrica, com soprador térmico sem com regenerador.

Como este ciclo é considerado praticamente isobárico (ASHRAE, 1994), ressaltamos que não foram feitas modificações no sistema original, devido ao desconhecimento das cargas e volumes de amônia e água. As vazões das soluções, forte e fraca, nas seções da tubulação do sistema, também não foram medidas, devido à estanqueidade da tubulação e receio de vazamentos da carga do refrigerante.

2.3.1

O Ciclo de Absorção com Resistência Elétrica

O equipamento de absorção utilizado foi uma unidade de refrigeração por absorção – MÓDULO ELÉTROLUX RA 125 selado tipo MB, que está mostrada na Figura 2.1. O principio de funcionamento do ciclo foi descrito na seção 2 e está esquematizado na Figura 2.2. A resistência elétrica utilizada tem uma potência máxima de 140W. O esquema elétrico das ligações, esta mostrado na Figura 2.3.

Figura 2.3 – Esquema elétrico das ligações.

Na Figura 2.3, (1) é um controlador/variador de voltagem, varivolt, tipo VM 215, com entrada de 220V e saída de 0 a 240V, que tem o objetivo de variar a tensão elétrica e como conseqüência a variação da potência na resistência ( de 0 até 140W). Em (2), foi utilizado um leitor da potência, voltagem e corrente – multímetro digital – YOCOGAWA – WT 130. Dessa forma pode-se variar e controlar a potência elétrica da resistência, para a determinação do coeficiente de desempenho do ciclo COP em várias faixas de potências.

Como câmara fria, foi confeccionada uma caixa de isopor, com espessura 20mm, e de dimensões de 240 x 250 x 240 mm, como está mostrado na Figura 2.4.

Figura 2.4 – Esquema da câmara fria.

Para a simulação da carga térmica, foi colocada, no interior da câmara fria, uma lâmpada com potência de 60W, ligada também a outro Varivolt, (4), tipo VM 115, entrada 127V e saída de 0 a 130V, observado na Figura 2.3, em (4). Desta forma, com os dois variadores de tensão, pode-se variar a potência fornecida na resistência elétrica e a carga térmica simulada pela lâmpada.

Para as medidas das temperaturas em todo o ciclo, foram utilizados oito termopares tipo K, marca OMEGA, e um termômetro analógico a álcool, marca INCONEL, faixa de temperaturas de – 10°C a + 120°C, ± 0,5°C, para a medida da temperatura ambiente. Os termopares foram ligados a três termômetros digitais tipo multímetro, modelo - MD – 5770 A, marca ICEL GUBINTEC com faixa de temperaturas de – 60°C até + 1115°C. Os oito termopares foram dispostos conforme ilustrado na Figura 2.2, representados por: T1, T2, T3, T4, T5,

T6, T7, e T8,. Os termopares foram distribuídos da seguinte maneira:

T1 – temperatura no evaporador

T2 – temperatura na entrada do gerador

T3 – temperatura na saída do gerador

T4 – temperatura na câmara do evaporador

T5 – temperatura na entrada do condensador

T6 – temperatura na saída do condensador

T7 – temperatura na saída do soprador

T8 – temperatura na entrada do soprador

T amb. – temperatura ambiente

2.3.2

O Ciclo de Absorção com Soprador sem Regenerador

O equipamento de absorção utilizado, é o mesmo da Figura 2.1, entretanto foi utilizado um soprador tipo, BOSCH com potência máxima de 1400W, tendo temperatura no primeiro estágio, de 300°C, temperatura no segundo estágio, de 500°C e com vazão de 400 l/min.

Figura 2.5 – Vista lateral do aparato com soprador.

Nesta segunda etapa, o soprador térmico foi escolhido com o intuito de simular o calor de rejeito de um processo industrial ou do motor de combustão interna, devido à simplicidade de adaptação, operação, controle, custo e construção do trocador de calor e do regenerador.

Como pode ser observado na Figura 2.5, o soprador foi fixado na parte posterior do aparato. O fluxo de ar quente é direcionado para o interior do trocador de calor.

O trocador de calor, tipo tubo e carcaça, com passe simples, foi construído especialmente para esta aplicação. A carcaça do trocador foi confeccionada em chapa de alumínio dupla, com 255 mm de comprimento por 70 mm de diâmetro interno e 100 mm de diâmetro externo. Uma camada de lã de rocha foi introduzida entre as chapas, como isolante térmico. A Figura 2.6 mostra que o trocador de calor foi colocado de forma que envolvesse o tubo gerador. O fluxo de ar quente circula em torno do tubo gerador aquecendo a solução amônia e água. A temperatura de entrada do ar ambiente no soprador é medida em T8. Na

saída do trocador de calor é medida a temperatura T7.

Figura 2.6 – Esquema do trocador de calor com o soprador.

2.3.3

O Ciclo de Absorção com Soprador e com Regenerador

O equipamento utilizado foi o representado na Figura 2.5, com pequenas modificações no trocador de calor. Nesta terceira etapa, como material de enchimento do regenerador, foi utilizado palha de aço n°2 marca SUZANBRIL.

Como será mostrado no capítulo três, foi observado que, ao se variar a potência fornecida tanto na resistência elétrica quanto no soprador, a temperatura no evaporador rapidamente variava. Tal fato causava um problema para o funcionamento em regime transiente, diminuindo o coeficiente de desempenho do ciclo para uma pequena potência fornecida.

Como este trabalho visa, também, a utilização do ciclo de absorção em veículo automotor, em substituição ao sistema convencional de compressão de vapor, e como as variações de energia térmica fornecidas são inevitáveis, devido às variações de carga no motor, foi introduzido um regenerador. O regenerador impõe uma certa inércia térmica ao ciclo, minimizando as variações bruscas de temperatura no evaporador.

O esquema de adaptação do trocador de calor está representado na Figura 2.7, onde se observa, no interior do trocador de calor, uma massa de 25 g de palha de aço n°2 e o volume interno de 9,3 x 10-4 m3.

Figura 2.7 – Esquema do trocador de calor com regenerador.

A relação entre o volume de vazio (Vv) e o volume total (VT) do trocador de

calor fornece a porosidade

ε

do regenerador, (Siqueira, 2000), onde,

T V

V

V

=

ε

(2.1) podemos calcular a porosidade

ε

do regenerador por:

ρ

π

−

=

ε

L

D

m

.

4

1

2 (2.2) onde:

m é a massa de palha de aço em (kg) D é o diâmetro interno em (m)

L é o comprimento em (m)

ρ é a massa específica da palha de aço em (kg/m3)

A massa específica da palha de aço foi medida experimentalmente, (Siqueira, 2000), encontrando-se ρ = 7,0 ± 0,8 % g/ml. A partir da equação (2.2), a porosidade encontrada foi de 0,98.

2.4

Redução dos dados experimentais

Para o cálculo do coeficiente de desempenho de Carnot, COPCarnot, as

temperaturas foram medidas nos diversos pontos do ciclo como discutido no item 2.2.3. Calculou-se a temperatura média de cada seção a partir da entrada e saída de cada seção.

T’1 – temperatura absoluta calculada do evaporador

T’2 – temperatura absoluta calculada do condensador

T’3 – temperatura absoluta calculada do gerador

As substâncias no ciclo de absorção encontram-se operando num recipiente rígido e não há entrada de trabalho mecânico. Considera-se um ciclo reversível, no qual o sistema recebe calor Q3 no tubo bomba à temperatura T’3 e

Q1 no evaporador à temperatura T’1, e libera calor Q2 no condensador, à

temperatura T’2.

Logo, pela primeira lei da termodinâmica, tem-se:

2 3

1

Q

Q

Q

+

=

(2.3)

Pela segunda lei da termodinâmica, pode-se escrever:

' 2 2 ' 3 3 ' 1 1 T Q T Q T Q _{+ =} (2.4)

O coeficiente de desempenho de Carnot pode ser escrito como:

=

1 3

Q

COP

Q

(2.5) Na equação (2.5), Q1 é o calor trocado no evaporador e Q3 é o calor trocado no

tubo gerador. Considerando-se as equações (2.3) e (2.5) tem-se:

)

'

T

'

T

(

'

T

)

'

T

'

T

(

'

T

COP

1 2 3 2 3 1

−

−

=

(2.6)

O desenvolvimento da equação (2.6) é apresentado no Apêndice A.

Na equação (2.6), aplica-se 2 T T ' T₁= 1+ 4 (2.7a) 2 T T ' T₂= 5 + 6 (2.7b) 2 T T ' T₃ = 2 + 3 (2.7c)

T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7 e T8 são as temperaturas absolutas definidas na

seção 2.2.1, (Figura 2.1) e T’1, T’2 e T’3 são as temperaturas médias. Um

esquema para o cálculo do coeficiente de desempenho esta mostrado na Figura 2.8 (Radermarcher e Antoniolli, 2001)

Figura 2.8 – Esquema de distribuição de energia e temperatura no ciclo.

O coeficiente de desempenho térmico, COPTérmico, é definido como sendo a

razão entre a taxa de retirada de calor no evaporador e a potência elétrica fornecida.