LuizCPV_DISSERT

7/24/2019 LuizCPV_DISSERT

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

LUIZ CARLOS PEREIRA VARGAS

ANLISE TERICO-EXPERIMENTAL DO COEFICIENTE DEPERFORMANCE (COP) DE UM SISTEMA DE REFRIGERAO POR

JATO-COMPRESSO

Natal2010


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ANLISE TERICO-EXPERIMENTAL DO COEFICIENTE DEPERFORMANCE (COP) DE UM SISTEMA DE REFRIGERAO POR

JATO-COMPRESSO

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao emEngenharia Mecnica da Universidade Federal do RioGrande do Norte como requisito parcial obteno do ttulode Mestre em Engenharia Mecnica. rea: Termocincias.

Orientador: Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga BarbosaCoorientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes

Agncia Financiadora: CAPES Projeto MINTER

Natal2010


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Ficha catalogrfica elaborada pela Biblioteca do IFBA Campus Salvador.

V297 Vargas, Luiz Carlos Pereira.Anlise terico experimental do coeficiente de perfomance (COP) de um

sistema de refrigerao por jato-compresso / Luiz Carlos Pereira Vargas.-

Natal, RN: Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2010.73 f.

Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica) UniversidadeFederal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica.

Orientador: Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa.Coorientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes.

1. Rejeitos trmicos. 2. Ejetor. 3. Ciclo de refrigerao intermitente. 4.Refrigerao por ejetor. I. Barbosa, Cleiton Rubens Formiga. II. Fontes,Francisco de Assis Oliveira. III. Ttulo.

CDU 621.5


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ANLISE TERICO-EXPERIMENTAL DO COEFICIENTE DE

PERFORMANCE (COP) DE UM SISTEMA DE REFRIGERAO PORJATO-COMPRESSO

Esta dissertao foi julgada adequada para a obteno do grau de MESTRE EMENGENHARIA MECNICA, sendo aprovada em sua forma final.

Rio Grande do Norte, ____ de _________________ de 2010

_________________________________________________Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa - OrientadorUniversidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)

Banca Examinadora:

_________________________________________________Prof. Dr..Francisco de Assis Oliveira Fontes - Coorientador

Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)

_________________________________________________Prof. Dr..Luiz Guilherme Meira de Souza - Examinador Interno

Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)

_________________________________________________

Prof. Dr..Marcelo Bezerra Grilo - Examinador ExternoUniversidade Federal de Campina Grande (UFCG)


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Dedico este trabalho minha esposa, Maria Jos,pela compreenso, amor e pelo apoio a sua realizao.

Ao meu filho Luiz Carlos,pelo comportamento exemplar, amor e carinho

para com a sua me, durante a minha ausncia.


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AGRADECIMENTOS

Coordenao de Apoio ao Desenvolvimento de Docentes do Ensino Superior

(Capes), pelo apoio financeiro.

Ao Instituto Federal da Bahia, pela liberao e pelo apoio dado para o

desenvolvimento de docentes.

Ao Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica da Universidade federal do

Rio Grande do Norte(PPGEM/UFRN).

Ao professor Cleiton Rubens Formiga Barbosa, pela orientao.

Ao professor Francisco Fontes, pelo apoio logstico na concretizao dos trabalhos

extraordinrios.

Ao professor George Santos Marinho, pela cesso de espao do Laboratrio de

Transferncia de Calor para fabricao dos sensores termopares.

Ao tcnico Joo Maria Bezerra, pelo carinho, amizade e apoio dispensados no

Laboratrio de Computao.

Ao tcnico Arivaldo Alves Dlio, pelos servios de apoio na Oficina Mecnica.

Ao colega mestrando Joo Borges Marques, pelo companheirismo compartilhado naspesquisas.

A todos aqueles que, direta ou indiretamente, contriburam para a realizao deste

trabalho.


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VARGAS, Luiz Carlos Pereira. Anlise terico-experimental do coeficiente de performance(COP) de um sistema de refrigerao por jato-compresso. 2010. 73 p. Dissertao(Mestrado em Engenharia Mecnica) Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, 2010.

RESUMO

A utilizao do calor residual de equipamentos para converso de energia para produzir frio, uma forma de melhoria da eficincia dos sistemas energticos. A presente pesquisa destina-seao estudo terico e experimental das caractersticas de um novo sistema de refrigeraointermitente por jato-compresso (ejetor) com uso de calor residual. Inicialmente, foirealizado um levantamento bibliogrfico sobre a tecnologia de sistemas de refrigerao por

jato-compresso. Na fase seguinte, investigou-se a concepo do principal elemento daproposta de sistema de refrigerao, o ejetor. A metodologia emprica utilizada no clculo doejetor est disponvel na literatura. Com o auxlio do software EES (Engineering EquationSolver) foram realizados estudos (simulaes) para diferentes fluidos refrigerantes sintticos.O fluido refrigerante R141b apresentou as propriedades termodinmicas e de transportenecessrios para o funcionamento eficaz do sistema proposto. Com base nos resultados dasimulao foi selecionado o fluido refrigerante e desenvolvida uma bancada experimental dosistema de refrigerao proposto, onde sensores de presso e temperatura foram inseridos empontos estratgicos do prottipo de refrigerao e conectados a um sistema de aquisio dedados computadorizado para medio das propriedades do fluido refrigerante no ciclo

termodinmico. Os resultados obtidos nos ensaios revelam boa concordncia com osencontrados na literatura.

Palavras-chave: Ejetor. Rejeitos trmicos. Refrigerao por ejetor. Ciclo de refrigeraointermitente.


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VARGAS, Luiz Carlos Pereira. Anlise terico-experimental do coeficiente de performance(COP) de um sistema de refrigerao por jato-compresso. 2010. 73 p. Dissertao(Mestrado em Engenharia Mecnica) Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, 2010.

ABSTRACT

The use of waste heat of energy conversion equipment to produce a cooling effect, consistscurrently in a very interesting way of efficiency improvement of energy systems. The presentresearch has as intention the theoretical and experimental study of a new intermittentrefrigeration system ejector cycle characteristics, with use of waste heat. Initially, was doing abibliographical survey about the vapor ejector refrigeration system technology. In thefollowing stage was doing a simulation of the corresponding thermodynamic cycle, withpreliminarily intention to evaluate the performance of the system for different refrigerantsfluids. On the basis of the results of the simulation were selected the refrigerant fluid anddeveloped an experimental group of benches of the refrigeration system considered, wherepressure and temperature sensory had been inserted in strategical points of the refrigerationarchetype and connected to a computerized data acquisition system for measure therefrigerant fluid properties in thethermodynamic cycle. The test results obtained show goodagreement with the literature.

Keywords: Ejector. Waste heat. Cooling ejector. Refrigeration cycle intermittent.


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Esquema de um sistema de refrigerao por compresso de vapor. 20

Figura 2

Ciclo termodinmico de sistema de refrigerao por compresso de

vapor. 21

Figura 3 Sistema de refrigerao por absoro. 22

Figura 4Sistema de refrigerao por absoro, acoplado a um motor decombusto interna.

23

Figura 5 Unidade refrigerao por sistema de absoro de Platen-Munters. 24

Figura 6Ciclo de refrigerao por adsoro intermitente, fase de dessoro(regenerao) do refrigerante.

28

Figura 7Ciclo de refrigerao por adsoro intermitente, fase adsoroprovocando o efeito frigorfico.

28

Figura 8 Ciclo de refrigerao dessecante. 29

Figura 9Esquema de um ciclo Rankine para a operao de um compressor emum ciclo de refrigerao.

31

Figura 10 Diagrama do sistema de refrigerao com ejetor convencional. 31

Figura 11 Diagrama termodinmico do funcionamento do ejetor. 33

Figura 12Variao da presso e da velocidade em funo da posio ao longodo ejetor.

34

Figura. 13Modo de operao do ejetor, taxa de arraste em relao a presso decondensao.

36

Figura 14Influncia das temperaturas Te e Tg no desempenho de umrefrigerador por jato-compresso.

36

Figura 15

Variao na presso da cmara de suco com a posio do bocal

primrio. 41


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Figura 16Variao da capacidade de refrigerao e o COP com a temperaturade gerao.

42

Figura 17Contornos Cheios de nmero de Mach: efeito da variao da presso

a jusante.

44

Figura 18 Diagrama do sistema de refrigerao por jato-compresso de vapor. 45

Figura 19 Diagrama esquemtico do modelo do ejetor, regies e dimenses. 49

Figura 20 Diagrama de bloco do processo de clculo da rea hipottica. 51

Figura 21 Clculo do fluxo de massa na garganta hipottica. 52

Figura 22 Clculo do fluxo de massa na garganta do bocal primrio. 52

Figura 23 Foto do ejetor fabricado em lato. 54

Figura 24 Esquema do bocal primrio do ejetor. 54

Figura 25 Esquema do corpo do ejetor modificado na conexo de sada. 55

Figura 26 Vista frontal e traseira do equipamento montado. 55

Figura 27 Decremento de queda de presso em um tubo capilar. 56

Figura 28 Elemento de um tubo capilar discretizado. 57

Figura 29 Resultados obtidos do clculo do tubo capilar. 59

Figura 30 Posio dos termopares no prottipo. 60

Figura 31 Foto da carga de refrigerante no sistema. 61

Figura 32 Detalhe dos instrumentos de coleta de dados de temperaturas. 62

Figura 33 Tela do PC na coleta de dados de temperaturas. 62

Figura 34 Wattmetro para coleta de dados de potncia. 63

Figura 35 Tela do PC na coleta de dados de potncia. 63

Figura 36 Registro de temperaturas, ensaio tpico. 64

Figura 37 Grfico dos resultados dos ensaios realizados. 66

Figura 38 Grfico do registro das temperaturas da sala e da cuba do evaporador. 67


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Sistemas de refrigerao alimentados por fonte de calor. 20

Tabela 2 Calor de adsoro de alguns pares de adsorventes/adsorvatos. 29

Tabela 3 Refrigerantes para refrigerao com ejetor. 47

Tabela 4Variveis operacionais do sistema de refrigerao por jato-

compresso.50

Tabela 5Resultados obtidos dos parmetros de simulao de ejetor para o

dimetro da garganta t= 1,0 mm.53

Tabela 6 Clculo do COP dos ensaios 1 a 7. 65

Tabela 7 Clculo do COP dos ensaios 8 a 13. 65


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

NDICES

f referente linha de lquido no diagrama de Mollier

g referente linha de vapor seco no diagrama de Mollier

ABREVIATURAS

COP coeficiente de performance ou coeficiente de desempenho

ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers


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LISTA DE SMBOLOS

A rea

At rea da garganta do bocal primrio

Ae rea efetiva da garganta hipottica

A3 rea da cmara de mistura

D dimetro do tubo capilar

f fator de atrito

G vazo mssica por unidade de rea

h entalpia

M Nmero de Mach

Pe presso de evaporao

Pg presso de gerao

Pc presso de condensao

*cP

presso crtica de condensao

coP presso limite operacional de condensao

Re nmero de Reynolds


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rc razo entre a presso crtica de condensao e a presso de evaporao

rg razo entre as presses de gerao e de evaporao

Te temperatura de evaporao

Tg temperatura de gerao

Tc temperatura de condensao

u velocidade

v volume especfico

x ttulo

massa especfica

razo de arraste

razo entre a rea da cmara de mistura e rea do bocal primrio


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SUMRIO

1 INTRODUO ................................................................................................................................ 15

1.1 OBJETIVO GERAL ....................................................................................................................... 16

1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS.......................................................................................................... 17

1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAO.............................................................................................. 17

2 REVISO BIBLIOGRFICA........................................................................................................ 19

2.1 REFRIGERAO POR EVAPORAO DE UM FLUIDO REFRIGERANTE......................... 19

2.1.1 Sistema de compresso de vapor............................................................................................... 20

2.1.2 Sistema de refrigerao por soro .......................................................................................... 21

2.1.2 Refrigerao por absoro ....................................................................................................... .22

2.1.4 Ciclo de refrigerao por difuso-absoro de Platen-Munters ............................................ 24

2.1.5 Refrigerao por adsoro ........................................................................................................ 26

2.1.6 Sistema de refrigerao dessecante........................................................................................... 29

2.1.7 Refrigerao por adsoro qumica.......................................................................................... 30

2.1.8 Refrigerao por Rankine ......................................................................................................... 30

2.1.9 Refrigerao por jato compresso (ejetor) .............................................................................. 31

2.1.9.1 Funcionamento do ejetor ...........................................................................................................32

2.1.9.2 Modo de funcionamento do ejetor............................................................................................. 35

2.1.9.3 Desempenho de um refrigerador por jato compresso.............................................................. 36

3 METODOLOGIA ............................................................................................................................ 45

3.1 SELEO DO FLUIDO REFRIGERANTE.................................................................................. 46

3.2 PROJETO DO EJETOR.................................................................................................................. 48

3.2.1 Correlaes empricas do ejetor................................................................................................ 49

3.2.2 Clculo da garganta hipottica e da garganta do bocal primrio.......................................... 50

3.2.3 Clculo do bocal primrio do ejetor ......................................................................................... 53

3.3 MONTAGEM DO EQUIPAMENTO............................................................................................. 553.4 CLCULO DO TUBO CAPILAR ................................................................................................. 56


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3.5 INSTALAO DOS SENSORES DE TEMPERATURA............................................................. 59

3.6 CARGA DO REFRIGERANTE NO SISTEMA ............................................................................ 60

3.7 INSTRUMENTAO DE COLETA, REGISTRO E CONTROLE DE TEMPERATURA......... 62

3.7 INSTRUMENTAO DE COLETA E REGISTRO DE DADOS DE POTNCIA..................... 63

4 RESULTADOS ................................................................................................................................. 64

4.1 TABULAO DOS ENSAIOS ..................................................................................................... 65

5 CONCLUSES ................................................................................................................................ 69

REFERNCIAS .................................................................................................................................. 71


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1INTRODUO

A refrigerao desempenha importante papel na vida moderna, com os mercados

especiais para o transporte e a conservao de alimentos refrigerados ou congelados, na

preservao de medicamentos e no condicionamento de ar para conforto trmico. Sendo pontopacfico afirmar sobre a importncia vital da refrigerao para a vida nas cidades, onde

muito grande a concentrao de pessoas.

Por outro lado, originados no campo, aps colheita ou extrao, certos produtos

requerem imediata refrigerao para armazenamento e transporte. No menos importante o

uso da refrigerao para o comrcio de alimentos frescos, peixes, bebidas geladas; para os

hospitais, na conservao de sangue, medicamentos e vacinas. Na rea dos alimentos,

sobretudo, h um crescimento continuo na demanda de equipamentos de refrigerao. A esserespeito, Coulomb (2008) instrui que a refrigerao domstica em todo o mundo representava

um bilho de equipamentos, valor que se viu dobrado, decorridos doze anos.

A maioria dos equipamentos utilizados em refrigerao baseada na compresso e

expanso de um refrigerante. Em razo da boa eficincia e facilidade de utilizao, os cloro-

fluor-carbonos (CFCs) foram os fluidos refrigerantes mais utilizados at a dcada de 1980,

mas essa utilizao permeava problemas ambientais. Os CFCs estavam causando depleo da

camada de oznio e o aquecimento global (gases do efeito estufa), onde a conteno erecuperao aps o uso no estavam sendo feitos corretamente. Alm disso, alerta Coulomb

(2008), ocorrem vazamentos de refrigerante de at 15% ao ano em instalaes de refrigerao

comercial.

A substituio dos CFCs por refrigerantes que no agridem o meio ambiente uma

necessidade. O aumento da demanda por refrigerao e condicionamento de ar eleva a

potncia instalada de refrigerao e a utilizao de refrigerantes que em maior ou em menor

intensidade afetam o meio ambiente.


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Os refrigerantes hidro-fluor-carbonos (HFC), substitutos dos CFCs, tm baixo impacto

no aquecimento global e baixssimo potencial de destruio da camada de oznio. Os

refrigerantes naturais (amnia, CO2 e hidrocarbonetos), possuem insignificante ou nenhum

impacto sobre o aquecimento global e potencial nulo de destruio da camada de oznio.

Tecnologias alternativas de refrigerao, que incluem refrigerao magntica,

absoro/adsoro, refrigerao solar por ejetor e tambm otimizao das tecnologias atuais

com o uso de ciclos hbridos, combinados e de cogerao, tm espao cada vez maior nas

pesquisas, visando ao melhor aproveitamento de energias gratuitas e dos sistemas tradicionais.

Nos processos de combusto para transformar a energia trmica em energia mecnica,

uma parte significativa da energia desperdiada como resduo no meio ambiente. Esse calor

rejeitado pode ser utilizado em sistemas de refrigerao por absoro, adsoro ou por ejetor,

sendo o processo chamado de cogerao; ou tambm em ciclos combinados, aproveitando-se

essa energia para produzir trabalho mecnico. O sistema de refrigerao com ejetor uma

alternativa utilizao de energias renovveis e de resduos trmicos, mas no utilizado

massivamente por causa do baixo coeficiente de desempenho (COP) para o ciclo, em

comparao com os sistemas de absoro. A refrigerao por absoro j est sendo utilizada

no mercado em sistemas de cogerao.

Um sistema de refrigerao com ejetor similar a um sistema de compresso de

vapor, exceto para o mtodo de compresso do refrigerante. Um ejetor usado no lugar de um

compressor mecnico para comprimir o vapor do refrigerante, a partir do evaporador para o

condensador. Sistemas econmicos podem ser obtidos quando aproveitados os resduos de

calor, energia solar ou rejeitos trmicos. Esses sistemas apresentam vantagens em relao aos

sistemas de compresso de vapor, a saber: no tm partes mveis, no requerem lubrificao,

possuem baixo custo e pequena manuteno operao, alm de aproveitar energia barata.

1.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo deste trabalho o projeto, fabricao, montagem e anlise experimental de

um prottipo de um sistema de refrigerao por jato-compresso de vapor, como um sistema

alternativo para o aproveitamento da energia descartada por sistemas trmicos para produzir

frio.


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1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Dimensionar os principais componentes do sistema de refrigerao proposto, ou seja,

o ejetor, o dispositivo de expanso, o gerador e o vaso de expanso;

Estabelecer uma metodologia para a seleo do fluido refrigerante;

Fabricar o ejetor, gerador e reservatrio acumulador;

Fazer simulao computacional dos parmetros operacionais;

Montar um prottipo de sistema de refrigerao por jato-compresso de vapor;

Efetuar a anlise experimental do prottipo;

Comparar o desempenho do sistema com o previsto no projeto.

1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAO

A presente dissertao foi organizada em captulos. Considerando-se este captulo de

introduo informam-se os captulos seguintes.

No Captulo 2 so apresentados os principais sistemas de refrigerao que utilizam na

produo do frio a evaporao de um fluido refrigerante, apresentado o sistema de

refrigerao por jato-compresso de vapor, o princpio de funcionamento, as modalidades de

funcionamento, o desempenho e o referencial terico.

No Captulo 3 so apresentadas as metodologias aplicadas para a seleo de fluidorefrigerante e utilizada no clculo do ejetor, onde so apresentadas as correlaes empricas

do ejetor, os dimensionamentos do bocal primrio, vasos acumulador e gerador, e tubo

capilar. So mostrados a montagem do equipamento e o procedimento de carga do

refrigerante, a identificao dos pontos de instalao dos sensores de temperatura e a

instrumentao de coleta e registro de temperaturas e potncia.


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No Captulo 4 apresentada a tabulao dos resultados dos ensaios realizados, bem

como a metodologia de medio do COP, as observaes sobre o comportamento do prottipo

durante os ajustes e a influncia da temperatura do ambiente na operao do sistema.

No Captulo 5 so apresentadas as concluses e sugestes para futuras pesquisas.


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2REVISOBIBLIOGRFICA

O princpio bsico da refrigerao rege que a mudana de uma substncia do estado

lquido para o estado vapor requer o fornecimento de calor. Quando a temperatura de

vaporizao da substncia est abaixo da temperatura do ambiente, o calor transferidonaturalmente do ambiente para a substncia, e a vaporizao produz a reduo da temperatura

daquele ambiente. O calor transferido do ambiente que produz essa vaporizao conhecido

como calor latente de vaporizao, e este processo produz um efeito de refrigerao. O

fenmeno regulado pelo equilbrio da presso do lquido e do vapor da substncia, que

conhecida como fludo refrigerante. Para obter baixas temperaturas devem-se escolher

refrigerantes que vaporizem em mais baixas temperaturas e, consequentemente, tambm em

presses mais baixas, para permitir as trocas trmicas.

2.1 REFRIGERAO POR EVAPORAO DE UM FLUIDO REFRIGERANTE

Vrias tecnologias foram desenvolvidas para obteno de efeito de refrigerao. As

tecnologias que utilizam evaporao de um fluido refrigerante so as refrigeraes por

compresso de vapor e resfriamento evaporativo. As tecnologias que utilizam energia de

fontes trmicas para a produo de frio atravs do fenmeno da evaporao de um fluido

refrigerante so as refrigeraes por absoro, adsoro, reao qumica, ciclo Rankine,

dessecante e ejetor.

A maioria das mquinas de refrigerao opera em um ciclo fechado, utilizando o

princpio de produo de frio pela evaporao de um lquido refrigerante. Os sistemas de

produo de frio se diferenciam pela forma como os vapores so produzidos e extrados do

evaporador. Na Tabela 1 so mostradas algumas aplicaes de sistemas de refrigerao comsuas respectivas variveis operacionais e coeficiente de desempenho.


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Tabela 1 Sistemas de refrigerao alimentados por fonte de calor.

Sistema Trmico Aplicao

Sistema

Temperatura

do Gerador(C)

COPciclo Fluido de Trabalho Refrigerao A/C

Absoro 80-190

0,6-0,8

(1 estgio) 1,3(2 estgios)

H2O-NH3H2O-LiClH2O-LiBr

Adsoro 80-300 0,3-0,8H2O-zeolite,

metanol-carvoativado

-

ReaoQumica

80-300 0,1-0,2 NH3-SrCl2 -

Rankine >120 0,3-0,5H2O, R114, tolueno,

fluidos orgnicos -

Dessecante 40-100 0,5-1,5 H2O -

Ejetor 80-150 0,3-0,8H2O, butano, R141b,

etc.-

Fonte: Pridasawas; Lundqvist, 2003 apud Ferrari, 2005.

2.1.1 Sistema de compresso de vapor

A refrigerao por compresso de vapor a mais utilizada em equipamentos

frigorficos para produo de frio, no condicionamento de ar de ambientes para o conforto

trmico e para resfriamento e congelamento de produtos.

Figura 1 Esquema de um sistema de refrigerao por compresso de vapor. (RONA, 2004).


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O ciclo constitudo dos seguintes processos: compresso de vapor (1-2), isto , um

compressor realiza trabalho sobre o vapor, transfere potncia a ele; a condensao do vapor

(2-3), que ocorre no condensador, onde o calor retirado do sistema; a expanso do lquido

aps o condensador (3-4), que ocorre na vlvula de expanso termosttica ou em um tubo

capilar, considerada uma transformao adiabtica; a evaporao do lquido no evaporador (4-

1), onde o calor retirado do meio a ser refrigerado.

Figura 2 Ciclo termodinmico de sistema de refrigerao por compresso de vapor.

2.1.2 Sistema de refrigerao por soro

O sistema de refrigerao por soro baseado em fenmenos fsico-qumicos

prprios da interao de duas fases de substncias. Esses fenmenos podem ser de superfcie

entre as fases, a difuso e transferncia de massa de uma fase na outra, e as possveis reaesqumicas entre os compostos que formam as fases (Fig.3).

Comparando-se com o ciclo de refrigerao por compresso de vapor, a soro

substitui o compressor por dois processos: um equipamento de soro e um equipamento de

dessoro. O equipamento de soro recebe o fluido de trabalho do evaporador (refrigerante)

como vapor saturado a baixa presso e o pe em contato com outra fase ou composto (um

lquido ou um slido). Ao entrar em contato com esse lquido ou slido, o fluido de trabalho

experimenta um fenmeno de soro (absoro, adsoro ou quimissoro) e se une a ele


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liberando certa quantidade de calor de soro. O equipamento de dessoro, ao receber o calor

de dessoro (QH), libera o fluido de trabalho sorvido no slido ou lquido como vapor

superaquecido, que ser condensado em sua passagem pelo condensador. O calor (QP) o

calor perdido no condensador e no soror.

Figura 3 Sistema de refrigerao por absoro. (SOUZA, 2007).

O sistema de refrigerao por soro tem aplicao em sistemas de refrigerao debaixa energia, como a energia solar ou rejeitos trmicos industriais. Tm aplicao os

sistemas de absoro tipos lquido-gs e slido-gs (termoqumico, quando ocorre uma reao

qumica) e os de adsoro tipo slido-gs, tanto em funcionamento contnuo como

intermitente. Os refrigeradores de soro operam de forma intermitente para os sistemas

slido-gs com dois sorores que se alternam nas funes de soror e dessoror, e dois

trocadores de calor, que tambm se alternam nas funes de condensador e evaporador. Os

sistemas de lquido-gs podem operar continuamente. (SOUZA, 2007).

2.1.3 Refrigerao por absoro

O ciclo bsico de absoro opera com dois nveis de presso, correspondentes s

temperaturas de condensao e de evaporao, respectivamente. Num ciclo de absoro, o

compressor substitudo por trs componentes: 1) o absorvedor, onde a soluo absorve o

refrigerante; 2) uma bomba de recirculao, para elevar a presso da soluo; e 3) um gerador,


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onde ocorre a separao do refrigerante do absorvente, por meio de adio de calor. No

restante do ciclo, o refrigerante passa pelos processos de condensao, expanso e evaporao

existentes como num ciclo de compresso de vapor, de forma contnua. Um ciclo bsico de

absoro e seus principais componentes, acoplado a um motor de combusto interna

mostrado na Figura 4.

Figura 4 Sistema de refrigerao por absoro, acoplado a um motor de combusto interna. (PIMENTA, 2005).

A soluo no gerador aquecida, resultando vapor do fluido refrigerante que, no caso

do ciclo operando com a soluo guabrometo de ltio, de gua (3). O fluxo de vapor de

gua ento liquefeito no condensador. Do gerador sai uma soluo forte de brometo de ltio

quente (2), que passa por um trocador de calor pr-aquecendo o fluxo de soluo fraca que

vem do absorvedor (9). A soluo fraca passa por um dispositivo de expanso (6), antes de

chegar ou absorvedor. Saindo do condensador, o fluxo de gua na forma lquida (4) passa por

um dispositivo de expanso onde h uma perda de presso, e o fluxo vai para o evaporador.

No evaporador, a gua retira o calor do meio ambiente externo, evaporando. Esses vapores

so absorvidos pela soluo forte no absorvedor. No absorvedor, a soluo fraca bombeada

para o gerador, mas, antes, passa pelo trocador de calor para recuperar o calor da soluo forte

que desce do gerador.

A mquina de refrigerao por absoro o primeiro tipo de sistema de refrigerao

que no utiliza compresso mecnica, sendo utilizado em sistemas de cogerao. No entanto,

o investimento inicial desse ciclo muito alto e sua manuteno uma tarefa especializada,

trazendo limitao de viabilidade econmica.


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2.1.4 Ciclo de refrigerao por difuso-absoro de Platen-Munters

Os inventores suecos Baltzar von Platen e Carl Munters, em 1922, desenvolveram umaunidade de refrigerao conduzida somente pela energia calorfica de uma fonte de calor

eltrico ou por uma chama de um queimador de gs. A unidade hermeticamente fechada,

sem as peas mveis, e foi introduzida no mercado pelo Electrolux na Sweden e Servel, nos

Estados Unidos.

Figura 5 Unidade refrigerao por sistema de absoro de Platen-Munters. (GOSNEY, 1982. Adaptado).

A unidade carregada com gua, amnia e hidrognio. No h nenhuma diferena da

presso na unidade, exceto aquelas causadas por colunas lquidas. O condensador situado


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25

acima do evaporador assim, a amnia condensada flui por gravidade. A diferena na altura

no selo de amnia liquida no devido a nenhuma resistncia ao fluxo, mas ao fato de que o

lquido no lado esquerdo do tubo est mais frio e, consequentemente, mais denso.

A amnia lquida entra no tubo do evaporador e flui como uma pequena corrente em

sua parte inferior. O tubo contm hidrognio com 5% em volume de vapor da amnia. A

soluo evapora no gs por difuso. Por conseguinte, a densidade da mistura de gases

aumenta (o vapor da amnia 8.5 vezes mais pesado do que o hidrognio) e tende a fluir para

baixo, para a serpentina do absorvedor.

A soluo fraca entra na parte superior da serpentina do absorvedor e flui para baixo,

pela parte inferior do tubo. A soluo absorve o vapor da amnia do gs que vem do

evaporador. O vapor fica menos denso, e tende a fluir para acima, para evaporador, formando

um circuito fechado de gs entre o evaporador e o absorvedor uma circulao natural do

gs, devido s diferenas de densidade. Esta , essencialmente, a inveno de Platen e

Munters. A soluo fraca, que entra na parte superior da serpentina do absorvedor, sai na

parte inferior uma soluo forte, aps ter absorvido a amnia durante a passagem,

regenerando a destilao realizada pelo gerador.

H um tubo de aquecimento no dispositivo de destilao ou gerador. O tubo podetambm ser visto como parte de um aquecedor eltrico ou como parte de um tubo de chamin.

Ele funciona como uma bomba de bolha (gas lift), onde parte da amnia fervida, saindo da

soluo e as bolhas foram o lquido a subir, como indicado na Figura 5. Acima do gerador,

uma parte do tubo funciona como separador de gua (retificador).

O lquido fraco que sai do gerador tem uma temperatura tpica de 180C; e o lquido

rico do vaso absorvedor, uma temperatura tpica de 50C. Assim, feita uma troca de calor

entre esses fluxos para melhorar o desempenho e a eficincia do sistema. Quando ohidrognio passa atravs do absorvedor, aquece-se. Quando passa atravs do evaporador

refrigera-se. Aquecimento e esfriamento causam perda de refrigerao, e um trocador de

calor do gs vital para o desempenho do sistema. Sem esse trocador, no seria obtida

nenhuma refrigerao til. (ALMN, 2008).

Entrando a unidade na operao pela primeira vez, h hidrognio em todas as partes.

Quando o vapor da amnia comea fluir do gerador, atravs da tubulao do respiro, o

hidrognio expelido do gerador e do condensador para o evaporador e o absorvedor. Nesseprocesso, a presso total aumenta um pouco. Sendo baixa a temperatura ambiente, o


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condensador ter capacidade em excesso, e algum hidrognio demorar a passar. A

temperatura ambiental sendo suficientemente alta, o condensador no apresentar capacidade

suficiente para condensar todo o vapor. Assim, atravs do respiro, algum vapor no

condensado fluir para o absorvedor.

2.1.5 Refrigerao por adsoro

A adsoro um fenmeno que ocorre quando se coloca uma matriz porosa slida

(adsorvente) em contato com uma mistura de fluidos (adsorvato). Uma ou mais substncias do

meio fluido adsorvida pelo adsorvente, consequentemente, aumentando a concentrao

desse fluido. um fenmeno superficial que ocorre na interface de duas fases, em que as

foras de coeso, incluindo foras eletrostticas e ligaes de hidrognio, agem entre as

molculas das substncias envolvidas, independentemente do seu estado de agregao. O

desequilbrio das foras de superfcie na fronteira das fases altera a concentrao das

molculas na interface slido/ lquido. O processo de adsoro envolve a separao de uma

substncia de uma fase, acompanhada pelo seu acmulo ou concentrao na superfcie de

outra. A fase de adsoro o adsorvente, e o material concentrado ou adsorvido na superfciedessa fase o adsorvato.

H dois processos de adsoro, classificados como fsico ou qumico, dependendo das

foras que atuam. Adsoro fsica (ou fisiossoro) ocorre quando as foras de Van der Waals

vinculam as molculas adsorvidas fase slida. Essas foras intermoleculares so as mesmas

que aderem as molculas superfcie de um lquido. As molculas que so fisicamente

adsorvidas a um slido podem ser liberadas mediante a aplicao de calor e, portanto, o

processo reversvel. A adsoro qumica (ou quimiossoro) ocorre quando ligaes

covalentes ou inicas so formadas entre as molculas do adsorvente e da substncia slida.

As foras de ligao de adsoro qumica so muito maiores do que a adsoro fsica. Assim,

mais calor liberado. Essa ligao conduz a mudana na forma qumica dos compostos

adsorvidos, sendo, deste modo, irreversvel. Por esta razo em particular, a maioria dos

processos de adsoro aplicvel a sistemas trmicos ou de refrigerao envolve,

principalmente, a adsoro fsica.


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27

O processo de adsoro exotrmico. A quantidade de calor libertado depende da

magnitude das foras eletrostticas envolvidas, calor latente, energias de ligao eletrosttica

e qumica. O calor de adsoro geralmente de 30% a 100% maior que o calor de

condensao do adsorvato (SUMATHY; YEUNG; YONG, 2003). Adsoro, em geral, mais

forte do que a condensao de fase lquida. Assim, se uma fonte adsorvente e adsorvato em

forma lquida coexistem separadamente em um recipiente fechado, ocorre o transporte do

adsorvato da fase lquida para o adsorvente na forma de vapor. A temperatura do lquido se

torna menor, enquanto o adsorvente aumenta a temperatura. Ar condicionado e refrigerao

utilizam esse fenmeno para obter efeito de esfriamento.

A quantidade de substncia adsorvida na superfcie decresce com o aumento da

temperatura, j que todos os processos de adsoro so exotrmicos. A uma temperatura

constante, a quantidade adsorvida aumenta com a concentrao do adsorvato (em soluo ou

na fase gasosa); e a relao entre a quantidade adsorvida (x) e a concentrao (c) conhecida

como isoterma de adsoro.

Adsorventes so caracterizados por propriedades de superfcie, como rea superficial e

porosidade (porosidade e distribuio de tamanhos de poros). Uma grande rea de superfcie

especfica prefervel para fornecer maior capacidade de adsoro, mas a criao de uma

ampla superfcie interna em um volume limitado, inevitavelmente, origina um grande nmero

de pequenos poros nas superfcies de adsoro. A distribuio do tamanho dos poros e de

micro poros, que determina a acessibilidade das molculas de adsorvato para a superfcie de

absoro interna, importante para caracterizar a adsoro de adsorventes. Materiais como

zeolitas (forma porosa do xido de alumnio) e peneiras moleculares de carbono podem ser

projetados especificamente para a preciso da distribuio de tamanho dos poros e, portanto,

sintonizados para uma particular separao. Adsorventes que possuem afinidade especial com

substncias polares como a gua, so denominados hidroflicos. Esto a inclusos a slica

gel e os zeolitas (silicatos de alumnio porosos em estado natural, em regies vulcnicas).

Alumina ativa ou adsorventes porosos no polares, denominados hidrofbicos, apresentam

maior afinidade para leos e gases. Entre tais substncias, incluem-se carvo ativado

(processo que desobstrui a estrutura porosa), adsorventes polimricos e silicalites.

As duas fases do ciclo de adsoro (dessoro e adsoro) esto representadas nas

Figuras 6 e 7. No sorsor, esto, inicialmente, o adsorvente e o adsorvato. Com o fornecimento

da energia (QH), inicia-se o processo de dessoro, quando a presso de saturao do


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adsorvato se iguala presso do condensador (Fig. 6). O adsorvato fluir na forma de vapor

para o condensador, liquefazendo-se com a liberao do calor de condensao (QP).

Aps incio do processo de adsoro, reduzindo-se a temperatura do sorsor com a

retirada do calor (QP), a temperatura e a presso do vaso da direita (condensador) passam a

operar como evaporador, quando o fluido refrigerante, adsorvato, flui para o sorsor (Fig. 7).

Normalmente, esse processo intermitente, devido dificuldade de escoar o adsorvente, que

de fase slida.

Figura 6 Ciclo de refrigerao por adsoro intermitente, fase de dessoro (regenerao) do refrigerante.(SOUZA, 2007).

Figura 7 Ciclo de refrigerao por adsoro intermitente, fase adsoro provocando o efeito frigorfico. (SOUZA,2007).

O calor de adsoro provm de isotermas de adsoro, geralmente referido como calor

exotrmico (a energia liberada no processo) ou calor diferencial de adsoro determinada

experimentalmente atravs de um mtodo calorimtrico. O diferencial de calor de adsoro de

adsorventes para alguns pares de adsoro apresentado na Tabela 2, a seguir.


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Tabela 2 Calor de adsoro de alguns pares de adsorventes/adsorvatos.

Adsorvente AdsorvatoCalor de adsoro

kJ/kgObservaes

Alumina ativada gua 3.000 A gua aplicvel, exceto parapresses de operao muito baixas.

gua 3.300 4.200Zelitas naturais tm valoresinferiores zelitas sintticas.

Amnia, 4.000-6.000

Dixido de carbono, 800-1.000

Zeolitas1 (vriosgraus)

Metanol, 2.300-2.600

lcool metlico 1.000-1.500 No adequado acima de 200CSlica gel

gua 2.800Usado principalmente pararesfriamento dessecante.

C2H4 1.000-1.200 Reage a aproximadamente 100C.

Amnia 2.000-2.700

gua 2.300-2.700

Metanol 1.800-2.000

Carvo

C2H5OH 1.200-1.400

Amnia e metanol no socompatveis com o cobre em altastemperaturas

Fonte: Sumathy; Yeung; Yong, 2003. Adaptado.

2.1.6 Sistema de refrigerao dessecante

O sistema de refrigerao dessecante (Fig. 8) um processo que utiliza umidificao e

desumidificao com transferncia de calor em ciclo aberto. composto por trs

componentes principais: desumidificador, resfriador evaporativo e regenerador. (SOUZA,

2007).

Figura 8 Ciclo de refrigerao dessecante. (SOUZA, 2007 adaptado de PRIDASAWAS; LUNDQVIST, 2003 apudFERRARI, 2005; RONA, 2004).


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O ar ambiente externo (1) desumidificado com um slido ou lquido dessecante,

onde parte de sua umidade removida, gerando aumento de temperatura e decrscimo de sua

umidade (2). O ar ento resfriado por um trocador de calor (3). A temperatura do ar

insuflado diminuda por um umidificador (4) ou um resfriador evaporativo, antes de entrar

no ambiente climatizado.

O ar do ambiente refrigerado (5) retorna para um umidificador evaporativo (5), onde

umidificado para diminuir sua temperatura. O ar resfriado (6) entra no trocador de calor

giratrio, aumentando sua temperatura (7). Saindo do trocador de calor, o ar passa por um

aquecedor (8) e entra no dispositivo dessecante para reativ-lo.

A energia fornecida pelo aquecedor pode ser obtida de energia solar, gases quentes

etc., como fonte de calor para o aquecedor. Uma pequena quantidade de energia eltrica

necessria para girar os rotores do trocador de calor e do dessecante.

2.1.7 Refrigerao por adsoro qumica

A adsoro qumica, tambm chamada quimissoro, o fenmeno no qual as

molculas (ou tomos) se unem superfcie do adsorvente, atravs da formao de ligaes

qumicas (geralmente covalentes) e tendem a se acomodar em stios que propiciem o maior

nmero de coordenao possvel com o substrato. Uma molcula quimicamente adsorvida

pode ser decomposta em virtude de foras de valncia dos tomos da superfcie, e a

existncia de fragmentos moleculares adsorvidos que responde, em parte, pelo efeito cataltico

das superfcies slidas.

2.1.8 Refrigerao por Rankine

O ciclo de refrigerao de Rankine constitudo de dois ciclos: de produo de

potncia de Rankine e refrigerao por compresso de vapor (Fig. 9). O trabalho mecnico

fornecido pela turbina no ciclo de potncia aciona o compressor do ciclo de refrigerao por

compresso de vapor.


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A energia que faz o ciclo funcionar obtida de qualquer fonte trmica. O vapor obtido

no gerador aciona a turbina onde o trabalho mecnico obtido. Com o objetivo de aumentar o

rendimento do ciclo, o vapor de exausto da turbina pode passar por um trocador de calor

regenerador, antes de ir para o condensador. O condensado bombeado, retornando ao

gerador, passando antes pelo regenerador para aproveitar o calor do vapor que sai da turbina.

(FIGUEROA, 2004).

Figura 9 Esquema de um ciclo Rankine para a operao de um compressor em um ciclo de refrigerao.

(SOUZA, 2007 apud FIGUEROA, 2004. Adaptado).

2.1.9 Refrigerao por jato compresso (ejetor)

O sistema de refrigerao por ejetor composto por um vaso gerador, dois trocadores

de calor (um condensador e um evaporador), um ejetor e uma bomba (Fig. 10).

Figura 10 Diagrama do sistema de refrigerao com ejetor convencional. (CHEN; SUN, 1997. Adaptado).


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O gerador entrega calor ao fluido de acionamento (refrigerante), que evaporado em

presso alta. O vapor gerado levado ao bocal do ejetor, e a energia trmica do vapor

transformada em energia mecnica, energia cintica. Essa energia faz a compresso do vapor

existente no evaporador, comprimindo-o, misturando-o ao fluxo que sai do ejetor. Por sua

vez, esse fluxo misturado conduzido ao condensador, e o vapor condensado fase lquida.

O lquido condensado dividido em dois fluxos: o que alimenta o evaporador, atravs de um

dispositivo de expanso, introduzindo uma perda de carga neste fluxo, possibilitando a

presso baixa do evaporador; e o que vai para a suco da bomba, elevando a presso do

refrigerante presso do gerador.

Esse ciclo de refrigerao semelhante ao ciclo de refrigerao por compresso de

vapor. H diferena na maneira como o fluido refrigerante comprimido, que, neste caso,

feito pelo ejetor da ser este ciclo conhecido por ciclo de refrigerao por jato compresso

de vapor. Sua aplicabilidade depende, principalmente, da disponibilidade de uma fonte

gratuita de calor solar ou do aproveitamento de rejeitos de calor.

2.1.9.1 Funcionamento do ejetor

A compresso feita no ejetor, a partir da energia cintica do fluido motor que se

expande adiabaticamente em um bocal convergente-divergente do estado 1 ao estado 2,

acelerando at a velocidade supersnica, produzindo vcuo no plano de sada do bocal

primrio e, consequentemente, na cmara de entrada do fluido secundrio do ejetor, como

mostrado no diagrama termodinmico T x S (Fig. 11).

O fluido secundrio acelera do estado 3 ao estado 4, arrastado pelo fluido primrio,

atravs da cmara de mistura, at atingir a velocidade do som, no estado 5. A seguir, ocorre o

choque duplo (bloqueio) e a mistura se transforma do estado 5 at o estado 6, nas intersees

das linhas de Rayleigh e Fanno. Seguindo desacelerando no difusor do ejetor, comprimindo-

se at a presso do condensador, estado 7.


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Figura 11 Diagrama termodinmico do funcionamento do ejetor. (CHUNNANOND; APHORNRATANA, 2004.Adaptado).

Como se pode observar na Figura 12, a seguir, o vapor de alta presso (1), conhecido

como fluido primrio, expandido e acelera atravs do bocal primrio (i), saindo com

velocidade supersnica para criar uma regio de presso muito baixa no plano da sada do

bocal (ii), e da para a cmara de mistura. A diferena de presso entre o bocal e a cmara de

entrada, faz com que o fluido, chamado fluido secundrio (S), seja arrastado para a cmara de

mistura. O fluido primrio continua sua expanso na forma de um duto convergente, sem se

misturar ao fluido secundrio, arrastando-o e acelerando-o devido a tenses de cisalhamento,

atravs da cmera de mistura. Em alguma seo transversal ao longo dessa cmara, a

velocidade do lquido secundrio se eleva velocidade do som (iii) e bloqueia-se (choque).

Essa seo transversal foi definida por Munday e Bagster (1977) como rea efetiva. A reahipottica no constante, mas variada com as condies de funcionamento (SRIVEERAKUL;

APHORNRATANA; CHUNNANOND, 2007).

Munday e Bagster (1977) sugeriram que o processo de mistura comeasse depois que

o fluxo secundrio sofresse o bloqueio. Isso faz com que o fluxo primrio seja retardado,

ocorrendo acelerao do fluxo secundrio. A presso esttica permanece constante do pontoii

ao ponto iv, na seo da garganta, e ao final da cmara de mistura, os dois fluxos se

encontram completamente misturados.


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A presso na cmara de mistura se d em funo do fluido primrio, do fluido

secundrio e da presso traseira do ejetor (ZEREN, 1982 apud CHUNNANOND;

APHORNRATANA, 2004). Devido a uma regio de alta presso a jusante da garganta da cmara

de mistura, um choque normal da espessura zero essencial (v) induzido. Esse choque normal

causa um maior efeito de compresso e uma queda repentina na velocidade do fluxo de

supersnico a subsnico. Entretanto, ele vlido apenas na suposio da anlise

unidimensional. Em situaes reais, por causa da espessura da camada limite, o choque no

inteiramente normal, mas inclui padres de choques oblquos complexos. Uma compresso

adicional do fluxo (vi) conseguida porque ele levado estagnao atravs de um difusor

subsnico. Resultados experimentais de medidas do perfil de presso esttica tomada ao longo

da parede do ejetor mostraram essas suposies e so validadas nos estudos de Chen e Sun(1997).

Figura 12 Variao da presso e da velocidade em funo da posio ao longo do ejetor. (CHUNNANOND;

APHORNRATANA, 2004).

O ciclo de refrigerao por jato compresso de vapor apresenta as seguintes vantagens:

os custos de capital so relativamente baixos, simplicidade de operao, confiabilidade e

baixos custos de manuteno. Destacam-se a capacidade de eliminar as superfcies de


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transferncia de calor e a capacidade de usar o fluido de trabalho com presso muito baixa.

(MUNDAY;BAGSTER, 1977).

2.1.9.2 Modo de funcionamento do ejetor

O ejetor pode ser classificado em duas categorias, de acordo com a posio do bocal:

1) a sada do bocal se situa dentro da cmara de mistura de seo de rea constante, 2) a sada

do bocal fica situada dentro da cmara da suco, antes da seo da rea constante. O ejetor

conhecido como ejetor de mistura de presso constante. Para esse tipo de ejetor, assumido

que a mistura dos fluxos primrio e arrastado ocorre na cmara da suco com uma presso

uniforme ou constante. (SUN, 1996 apud et al, 1999).

Segundo Huang et al (1999), no funcionamento do ejetor ocorre dois fenmenos de

bloqueio (choque): um no fluxo primrio, aps sair do bocal; outro, no fluxo arrastado. O

segundo bloqueio do ejetor resulta da acelerao do fluxo arrastado de um estado de

estagnao da entrada da suco at um fluxo supersnico na seo da rea constante. A

Figura 13 mostra a variao da relao de arraste com a Pcda descarga ou da presso de

sada, a uma presso fixa de suco Pe e a um fluxo de presso primria fixa Pg. O

funcionamento do ejetor dividido em trs modalidades operacionais, de acordo com a da

presso de sada Pc:

1) o duplo bloqueio ou modalidade crtica com o*

cc PP , quando o fluxo primrio e o

arrastado so bloqueados, e a relao de arraste constante, isto , = constante;

2)

choque simples ou modalidade subcrtica cocc PPP


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Figura 13Modo de operao do ejetor, taxa de arraste em relao presso de condensao. (HUANGet al,

1999. Adaptado)

2.1.9.3 Desempenho de um refrigerador por jato compresso

O desempenho de um refrigerador por jato compresso fortemente dependente do

funcionamento do ejetor. Assim, o arraste do fluxo secundrio e a geometria do ejetor so

fatores importantes. Um aumento da presso a jusante do ejetor causa reduo da taxa dearraste e, consequentemente, diminuio da eficincia. A curva de desempenho tpica

apresentada na Figura 14. Observa-se que tanto a reduo da temperatura de evaporao

quanto o aumento da temperatura de gerao reduzem a eficincia.

Figura 14Influncia das temperaturas Tee Tgno desempenho de um refrigerador por jato compresso.(CHUNNANOND;APHORNRATANA,2004. Adaptado).


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Boumaraf e Lallemand (2009) descreveram um programa de simulao til para

avaliar o desempenho e as caractersticas do ciclo de funcionamento de um ejetor de

refrigerao do sistema com o fluido de trabalho, R142b e R600a, caracterizando o ciclo pelas

temperaturas das trs fontes trmicas (gerador, condensador e evaporador) e os respectivos

coeficientes locais de transferncia de calor. O programa de simulao incluiu uma correlao

entre a relao de arrastamento ejetor estabelecido em diferentes condies de operao no

ponto crtico, a partir das equaes de conservao do modelo unidimensional. Concluiu que,

para uma temperatura da fonte fria fixa, a temperatura intermediria, de condensao,

correspondente ao modo crtico com *CC PP < ; o COP do sistema diminui quando a

temperatura da fonte quente (gerador) maior que a temperatura do projeto de

dimensionamento do ejetor. Considerando isso, recomendou que o dimensionamento dos

componentes do sistema fosse feito na maior temperatura de gerao possvel, de modo a

garantir um melhor desempenho, no caso de uma operao a baixa temperatura da fonte

quente. Constatou que o sistema com R142b obteve um melhor desempenho em todos os

casos, explicado pelo fato que o R142b ter o seu peso molecular quase duas vezes maior do

que o do R600a.

Muitas pesquisas tm sido desenvolvidas sobre esse sistema. Al-Khalidy (1998)

apresenta os conceitos do sistema de refrigerao com ejetor que utiliza fonte de calor de

baixa energia. No passado, esse sistema foi muito utilizado para condicionamento de ar em

grandes prdios. Com o desenvolvimento dos sistemas de condicionamento de ar por sistema

de absoro, e em razo de suas desvantagens pela utilizao de vapor de gua, que congela a

baixas temperaturas, tem baixas presses no evaporador e baixo coeficiente de desempenho,

os sistemas de refrigerao com ejetor foram desaparecendo.

O interesse por sistemas de condicionamento de ar por absoro est crescendo,

devido utilizao de fluidos refrigerantes que tm baixa temperatura de ebulio,

minimizando as desvantagens do ciclo.

Em Al-Khalidy (1998), utilizado um sistema convencional de refrigerao com

ejetor, empregando como fluidos de trabalho gua R117, R11, R12, R113 e R114. Nesse

trabalho, orientada a seleo de fluidos de trabalho em funo das propriedades: a) calor

latente de evaporao, que deve ser o maior possvel, a fim de minimizar os fluxos de massa;

b) calor especfico, que deve ser o menor possvel na fase lquida, para aumentar o grau de

resfriamento. Alm disso, o calor especfico do vapor deve ser elevado, de modo a reduzir a


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regio de superaquecimento, o que aumenta a eficincia dos trocadores de calor; fator de

compressibilidade o mais prximo de 1, hiptese de gs ideal; peso molecular alto, que

proporciona um aumento do COP.

Com a presso constante do condensador e do evaporador, o aumento da temperatura

da gerao do vapor proporciona um aumento da razo de mistura, do COP e da capacidade

de refrigerao, causado pelo aumento do nmero de Mach na sada do bocal primrio

convergente-divergente; o aproveitamento de rejeitos trmicos conduz a uma reduo dos

custos operacionais em comparao com sistemas convencionais; os custos de manuteno

so baixos devido ausncia de partes mveis (exceto as bombas); o sistema pode funcionar

com eficincia em temperatura de condensao menor que 45C e temperaturas de gerao de

vapor maiores que 70C. Considerando-se esses parmetros, existe a oportunidade do uso

como fonte de energia, coletor solar ou rejeitos de calor das mquinas trmicas. (AL-

KHALIDY, 1998).

Huang et al. (1999), atravs de uma anlise de um modelo de fluxo do ejetor

unidimensional (1-D), fizeram uma previso do desempenho de um ejetor operando em modo

crtico, supondo que a mistura dos fluxos primrios e secundrios ocorre na cmara de mistura

do ejetor a presso constante dentro da seo de rea constante. Os ensaios so realizados em

onze ejetores, utilizando o R141b como fluido de trabalho para verificar os resultados

analticos. Os resultados da anlise, combinando os dados de teste com os resultados

analticos, so usados para determinar os coeficientes p, s, p, e m, definidos no modelo 1-

D como: a) eficincia adiabtica no bocal primrio; b) eficincia adiabtica no fluxo

secundrio; c) perda por atrito do fluxo primrio e d) perda por atrito na cmara de mistura

antes do choque, respectivamente. A anlise 1-D, usando coeficientes empricos, pode prever

exatamente o desempenho dos ejetores.

Huang e Chang (1999) desenvolveram duas correlaes empricas para prever o

desempenho de ejetores a partir dos resultados de testes de desempenho de quinze ejetores,

utilizando R141b como fluido de trabalho. Essas correlaes so utilizadas para prever o

desempenho de ejetores a partir dos parmetros geomtricos de projeto do ejetor e as relaes

de presso entre as presses de gerao e de evaporao, e entre as presses de condensao,

chamada de crtica, e a de evaporao. Tambm feita uma previso da taxa de arraste do

fluxo secundrio pelo primrio, o que sai do evaporador e o que sai do gerador de vapor,

respectivamente, dentro da margem de erro de 10%. Nesse estudo, demonstra-se que o R141b


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um bom fluido de trabalho para um sistema com ejetor, propondo-se a utilizao desse

mtodo para o projeto do ejetor desses sistemas de refrigerao. Tal mtodo permite estimar o

desempenho do ejetor atravs do clculo da razo de fluxos de massa como funo da razo

entre a rea efetiva (na garganta hipottica) do fluxo secundrio e a rea de garganta do bocal,

Ae/At, do parmetro geomtrico de projeto do ejetor A3/At, e das presses Pg , Pee P*C. O

mtodo detalhado no projeto do ejetor no capitulo sobre materiais e mtodos.

Cizungu, Mani e Groll (2001), atravs de simulao computacional de um sistema de

refrigerao com ejetor, utilizando modelo unidimensional para os fluidos de trabalho R123,

R134a, R152a e R717 (amnia), concluram que, para diferentes temperaturas de gerao, a

taxa de arraste do fluido secundrio e a eficincia do sistema (COP) dependem,

principalmente, da geometria e da taxa de compresso do ejetor. Verificaram que o R117 tem

melhor desempenho em temperaturas de gerao mais baixa (por exemplo, temperatura de

gerao Tb


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variveis operacionais, a relao de arraste do fluido secundrio pelo fluido primrio a

presso crtica e o fluido de trabalho so determinantes da geometria do ejetor. Estudos esto

sendo realizados, visando reduzir as perdas ocorridas no processo de mistura e no fenmeno

de choque quando da elevao da presso de trabalho. Os refrigerantes fluorcarbonos parecem

mais adequados para operar o sistema de refrigerao com ejetor, podendo fornecer um

desempenho mais elevado que outros fluidos e funcionar com temperaturas mais baixas de

fontes de energia de qualidade inferior, tipo a energia solar. Esse sistema de baixo COP pode

ser melhorado com a associao de outros tipos de sistemas de refrigerao.

A fim de investigar o desempenho de um sistema de refrigerao por jato compresso

em uma ampla gama de variveis de funcionamento, Yapici (2008) apresentou um novo

projeto de ejetor, baseado em um modelo com cmara de mistura de rea constante. Um ejetor

com bocal primrio mvel foi montado sobre o sistema previamente construdo para

refrigerantes de baixa presso. Testou-se o sistema de refrigerao modificado com gua

quente, usando como fluido de trabalho o R123. Os efeitos da temperatura de operao sobre

a capacidade trmica e o coeficiente de desempenho do sistema foram investigados

experimentalmente quando a posio do bocal primrio foi otimizada, utilizando razo de rea

do ejetor de 9,97 (relao entre a rea da cmara de mistura e a rea da garganta do bocal

supersnico). Como resultado, um desempenho coeficiente de 0,39 foi obtido na temperatura

de gerador de vapor de 98C, a temperatura do evaporador 10C e presso crtica do

condensador 129 kPa.

Os ejetores projetados para esses sistemas de refrigerao so baseados na teoria e nos

dados experimentais disponveis para os parmetros de operao, mas as eficincias atribudas

no projeto nem sempre esto de acordo com as eficincias reais. Assim, os resultados, as

condies reais de operao e de desempenho dos sistemas devem ser determinadas

experimentalmente.

Nesse trabalho, Yapici (2008), testou o sistema de refrigerao de ejetor alterando o

parmetro de operao que tem efeito no desempenho do sistema e foi investigado na relao

de rea do ejetor de 9,97, quando os parmetros operacionais foram mantidos constantes. O

estudo experimental foi realizado em um intervalo de temperaturas do gerador de vapor de

87C a 103C, e do evaporador de 0 C a14C, e presso do condensador 108 kPa a 142 kPa.

Para estudar o desempenho desse sistema de refrigerao, com relao posio dobocal supersnico atravs da qual o fluido motor passa, a posio do bico (Ln) foi


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determinada como a distncia entre o plano principal do bocal de sada e o plano de entrada

da cmara de mistura (Fig. 15). Na determinao da posio do bico ideal, a presso na

cmara de suco foi tomada como o critrio. Foi assumida como posio ideal do bocal [4] a

posio em que a presso da cmara de suco ou do evaporador mnima.

Figura 15Variao na presso da cmara de suco com a posio do bocal primrio, Yapici (2008).

Com as presses do gerador e do condensador fixas, foi determinada a melhor posio

pela medio da presso na cmara de suco, com a vlvula entre essa cmara e o

evaporador fechada. A posio ideal do bocal foi obtida, Ln = -5 mm, para as condies de

funcionamento dadas.

No experimento de Yapaci (2008), foi determinada, tambm, a temperatura ideal do

gerador para aperfeioar o desempenho do sistema e essa temperatura de gerao (Fig. 16),

em que o COP mximo a temperatura tima de gerao para o sistema de refrigerao com

ejetor de geometria fixa, e operando em condies de operao dadas. O valor COP ideal

obtido de 39%.


44/75

42

Figura 16 Variao da capacidade de refrigerao e o COP com a temperatura de gerao.

He, Li e Wang (2009) procederam reviso de vrias pesquisas e construram

modelos matemticos para analisar o desempenho de ejetor e todo o sistema de refrigerao a

ejetor, e fornecer orientao para a sua operao. Para realizar o trabalho, classificaram os

modelos dos sistemas de refrigerao por ejetor em duas categorias principais: a) os modelos

termodinmicos, que podem ser subdivididos em modelos de fluxo monofsico e bifsico; b)

os modelos dinmicos, que tambm obedecem estas duas subdivises. Os modelos

termodinmicos monofsicos podem ainda ser divididos de acordo com o tipo de mistura,

podendo ser de presso e de constantes. Nos modelos dinmicos, as duas fases podem ser

divididas de acordo com o mtodo de clculo, modelo misto ou de Euler. Para avaliar o

desempenho e o projeto do ejetor, os autores tambm fizeram uma reviso utilizando os dados

de medies dos modelos empricos e semi-empricos. Verificaram que os modelos

termodinmicos devem considerar coeficientes isentrpicos, fatores de atrito, obtidos

experimentalmente para atingir uma boa preciso. Verificaram que, nesses modelos, os mais

prticos e viveis, aquele com cmara de mistura a presso constante proporciona um melhor

desempenho do ejetor. Por outro lado, os de cmara de mistura a volume constante tm

previso de desempenho mais precisas.

Os modelos termodinmicos consideram a interao turbulenta entre o fluxo primrio

e secundrio, e a complexidade das ondas de choque, mais relacionada ao processo real, tendo

uma preciso muito maior. Verificou que os modelos de fluxo turbulento renormalizao de


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43

grupo (RNG) e o de transporte por tenso de cisalhamento (SST) foram mais adequados para

prever os processos envolvidos. Para resolver as complexas equaes diferenciais parciais,

necessrias modelagem do ejetor, utilizaram-se do mtodo numrico de diferenas finitas.

Com o surgimento dos problemas ambientais, advindos da queima de combustveis

fsseis e ao custo da energia eltrica, h uma crescente busca de fontes alternativas de energia

para acionar sistemas de refrigerao, tais como energia solar, rejeitos trmicos e outras fontes

de energias alternativas.

Gutirrez (2005) verificou a viabilidade econmica de um sistema de refrigerao com

ejetor assistido por energia solar e gs natural de simples e duplo estgio. Para isso,

desenvolveu um modelo computacional que permitiu a simulao na base horria desse

sistema, utilizando o programa Transient Energy System Simulation Tool (TRNSYS),

software para simulao de sistemas trmicos, desenvolvido desde os anos 70 pelo Solar

Energy Laboratory da Universidade de Winsconsin, juntamente com um modelo de ejetor

implementado no programa computacional EES. Concluiu que esse sistema uma alternativa

economicamente vivel para demandas pequenas de condicionamento de ar (10,5 kW),

mesmo para a regio de Florianpolis e Santa Catarina, local de coleta dos dados de radiao

solar, onde a intensidade menor que em outras regies do Brasil, como os estados do

Nordeste.

Sriveerakul, Aphornratana e Chunnanond (2007b) em estudo sobre Dinmica dos

Fluidos Computacional (CFD), utilizando o software de simulao FLUENT, mostraram a

complexidade do fluxo e do processo de mistura de um ejetor de vapor utilizado em um ciclo

de refrigerao a jato. O estudo havia sido validado pelos autores anteriormente, na

comparao dos dados obtidos em simulao computacional com dados experimentais

(SRIVEERAKUL; APHORNRATANA; CHUNNANOND, 2007a). Eles obtiveram curvas de presso

esttica na linha de centro do ejetor e uma visualizao grfica dos fluxos envolvidos com

seus perfis de velocidades (Fig. 17). Mostraram as mudanas estruturais dos fluxos e seus

comportamentos dentro das cmaras do ejetor, e suas influncias no desempenho de

funcionamento do ejetor. Concluram que a CFD representa boa ferramenta para a previso do

desempenho do ejetor, da razo de arraste e da contrapresso crtica. Ela tambm fornece

satisfatrias explicao e visualizao da estrutura de fluxo no ejetor. As informaes obtidas

no CFD possibilitam o desenvolvimento do projeto do ejetor de alta performance.


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44

Figura 17 Contornos cheios de nmero de Mach: Efeito da variao da presso a jusante. (SRIVEERAKUL;APHORNRATANA;CHUNNANOND, 2007b. Adaptado).


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45

3METODOLOGIA

Representando as discusses do item 2.1.9, a configurao do sistema de refrigerao

convencional por ejetor (ciclo contnuo) mostrada na Figura 18a. Em anlise comparativa, a

Figura 18b representa a configurao do sistema de refrigerao estudado: ciclo intermitentepor jato-compresso de vapor.

O sistema composto de um gerador de vapor, que usa o calor a partir de qualquer

fonte de calor; um ejetor, que o principal elemento desse sistema; um condensador, atravs

da qual o calor total do sistema descartado; um evaporador, onde o frio produzido; um

tubo capilar, que introduz uma perda de carga; um acumulador e trs vlvulas solenoides (Fig.

18b), que substituem a bomba acionadora (Fig. 18a) do sistema convencional de jato-

compresso de vapor para produo de frio, transformando-o em um sistema de trabalhointermitente.

a) Ciclo contnuo b) Ciclo intermitente

Figura 18 Diagrama do sistema de refrigerao por jato-compresso de vapor


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46

Este sistema de refrigerao tem duas fases de operao:

1) Fase de produo de frio. O sistema trabalha com as vlvulas solenides (A) e (C)

fechadas vlvula solenide (B), aberta. O calor que entra no sistema fornecido

para o gerador (1), liberando vapor a alta presso, que, ao passar pelo ejetor (2),

arrasta vapor do evaporador (5), reduzindo sua presso e baixando sua

temperatura, produzindo o frio. Os fluxos so misturados no ejetor (2) e

conduzidos ao condensador (3) onde ser liquefeito, descartando o calor do

sistema. Parte desse lquido condensado vai para o evaporador (5), atravs do tubo

capilar (4), e a outra parte armazenada no acumulador (6).

2) Fase de recarga de refrigerante. As vlvulas solenides (A) e (C) so abertas, e a

vlvula solenide (B) fechada. O fluido de trabalho acumulado no vaso (6)

transferido para o gerador (1), completando o ciclo intermitente.

3.1 SELEO DO FLUIDO REFRIGERANTE

A seleo do fluido refrigerante foi definida em funo da caracterstica da linha de

vapor saturado no diagrama T-S e do princpio de funcionamento do ejetor.

A primeira premissa considera que, se a inclinao da curva de vapor saturado seco for

negativa, na expanso isentrpica do fluido de trabalho, este ir condensar. Diz-se, ento, que

o vapor mido e, neste caso, necessrio superaquecer o vapor para no causar

funcionamento deficiente do ejetor. Como no sistema proposto o refrigerante no

superaquecido, priorizou-se a operao com fluidos secos.

A segunda premissa pondera que, se a inclinao da curva de vapor saturado forpositiva, a expanso vai superaquecer o vapor. Neste caso, no haver necessidade de

superaquecimento. Diz-se que o vapor seco, o que desejvel.

Chunnanond e Aphornratana (2004) enumeraram os fatores mais importantes para

seleo do refrigerante para esses sistemas: 1) o lquido deve ter um grande calor latente de

vaporizao, de forma a minimizar a taxa de circulao por unidade de capacidade de

refrigerao, 2) a presso hidrosttica no gerador de vapor no deve ser demasiada elevada, a

fim de evitar vasos de construo pesada; 3) o fluido deve ser quimicamente estvel, no


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txico, no explosivo, no corrosivo, ecolgicos e de baixo custo; 4) o refrigerante com

menor valor de massa molecular exige comparativamente maiores ejetores para sistemas de

mesmas capacidades. As dificuldades de construo dos componentes de ejetores de pequeno

porte devem ser consideradas. No entanto, o fluido de maior massa molecular leva a um

aumento da taxa de arraste e a eficincia do ejetor.

A Tabela 03 mostra os refrigerantes pr-selecionados para a operao e suas

respectivas caractersticas fsicas, com potencial de agresso ao meio ambiente.

Tabela 3Refrigerantes para refrigerao com ejetor.

Caractersticas R11 R12 R113 R123 R141b R134a R718b (gua)

Ponto de evaporao (C) a 1atm 23,7 29,8 47,6 27,9 32,1 26,1 100

Presso (kPa) a 100 oC 824 3343 438 787 677 3972 101

Massa molecular (kg/kmol) 137,38 120,92 187,39 152,93 116,9 102,03 18,02

Calor latente a 10C 186,3 147,6 155,3 176,8 129,4 190,9 2257

GWP 1 1 3 1,4 0,02 0,15 0,26 0

ODP 2 1 0,9 0,8 0,016 0 0,02 0

Vapor seco ou mido mido mido seco seco seco mido mido1(Global warming potential); 2(Ozone depletion potential)

Fonte: Chunnanond; Aphornratana (2004).

A anlise da Tabela 03 revela que o R718b (gua), apresenta as caractersticas ideais

para o funcionamento do sistema proposto. No entanto, existem algumas desvantagens.

Usando gua como refrigerante, a temperatura de refrigerao limite dever estar acima de

0C; e o sistema, sob condio de vcuo. Alm disso, a gua tem grande volume especfico

nas condies tpicas do evaporador e, para minimizar a perda de presso, o dimetro da

tubulao deve ser grande, a fim de atender ao grande fluxo volumtrico (CHUNNANOND;

APHORNRATANA,2004).

A seleo final se limitou aos fluidos R123 e R141b, escolhendo o fluido R141b, que

abundante e de baixo custo, alm do bom desempenho termodinmico nos sistemas de

refrigerao por jato-compresso de vapor, de acordo com Huang et al. (1999), Huang e

Chang (1999), e Chunnanond e Aphornratana (2004). Vrios outros refrigerantes foram

utilizados no sistema de refrigerao de jato de vapor. Sankarlal e Mani (2007) utilizaram a

amnia (R717) de forma satisfatria. Selvaraju e Mani (2004) fizeram uma anlise

comparativa do desempenho do ejetor, operando com R134a, R152a, R290, R600 e R717.


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48

Eles concluram que o R134a proporciona melhor desempenho e maior razo crtica de

arraste, em comparao a outros refrigerantes. Alexis e Katsanis (2004) propuseram metanol

para o sistema de refrigerao por jato de vapor. Sun (1999) comparou o desempenho dos

refrigerantes: R718, R11, R12, R13, R21, R123, R142b, R134a, R152a, RC318 e R500.

Concluiu que para CFC's, o R12 apresenta melhor desempenho, para os HCFC, o R142b tem

o melhor COP; os HFC testados possuem desempenho semelhante, tendo o R152a

apresentado o melhor desempenho entre todos os outros refrigerantes. Utilizando os HFC, que

no causam reduo do oznio, tambm se produz benefcios ambientais suplementares.

3.2 PROJETO DO EJETOR

Elemento chave do sistema de refrigerao de jato-compresso de vapor, o ejetor foi

descoberto por Charles Parsons, quando fazia vcuo em condensadores para turbinas a vapor.

Nossas primeiras referncias para o estudo do sistema de refrigerao de jato-compresso de

vapor foram Leblanc (1910 apud CHUNNANONG; APHORNRATANA, 2004) e Chen e Sun

(1997).

O ejetor consiste basicamente de quatro partes principais: bocal primrio convergente-

divergente, cmara de suco, cmara de mistura e difusor divergente. A cmara de mistura

classificada como de presso e volume constantes. Neste trabalho, ser utilizada a cmara de

mistura a volume constante.

Huang e Chang (1999) definiram trs modos operacionais para os ejetores, de acordo

com a contrapresso (presso de condensao). O modo crticocc PP * , quando o fluxo

primrio e o fluxo arrastado entram em choque na cmara de mistura (so bloqueados); o

modo subcrtico, quando apenas o fluxo primrio bloqueado; e o modo de mau

funcionamento, quando tanto os fluxos primrio e secundrio no so bloqueados. Para

melhor desempenho de um sistema de refrigerao a jato-compresso de vapor, o ejetor

dever ser projetado e operado no modo crtico. Pc a presso de condensao; Pe, de

evaporao; Pc*, a presso crtica de condensao; e Pco, a condio limite de presso de

condensao do ejetor no modo operacional. Neste trabalho, usou-se Pc = Pc*; o melhor

desempenho obtido com o modo crtico.


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49

No mtodo de dimensionamento do ejetor foi assumido que a mistura dos dois fluxos

(primrio e secundrio) ocorre em uma rea efetiva (Ae); a cmara de mistura a volume

constante; e a base de clculo, a correlao emprica proposta por Huang e Chang (1999). O

desempenho estimado pelo clculo do quociente entre os fluxos primrio e secundrio (),

calculado em funo das relaes entre a rea efetiva (garganta hipottica) do fluxo

secundrio (Ae) e da garganta do bocal (At), do parmetro de projeto geomtrico do ejetor

(A3/At) e das presses Pg, Pce Pc*. O fluxo primrio parte do gerador e o fluxo secundrio

parte do evaporador. A Figura 19 mostra um modelo esquemtico das regies e suas

dimenses caractersticas.

Figura 19 Diagrama esquemtico do modelo do ejetor, regies e dimenses. (HUANG;CHANG,1999).

3.2.1 Correlaes empricas do ejetor

No dimensionamento do ejetor para operar com R141b foi utilizado o mtodoemprico proposto por Huang e Chang (1999). As dimenses caractersticas, apresentadas na

Figura 18, so determinadas com bases nas seguintes equaes:

+

=

ttt

e

A

A

A

A

A

A 32

3 4362,10517,0 (1)

228

27

26

2543

2210

3gcgcggcgcgcc

trrbrrbrbrrbrrbrbrbrbbA

A++++++++=

(2)


52/75

50

Onde: ;*

e

cc P

Pr = ;

e

gg P

Pr = ;4497,50 =b ;7759,61 =b ;4952,12 =b ;3116,23 =b

;590,04 =b ;018105,05 =b ;03786,06 =b ;012983,07 =b .000812145,08 =b

Ae corresponde a rea da garganta hipottica do fluxo secundrio; A t, a rea da

garganta do bocal; e A3, a rea da cmara de mistura. As equaes (1) e (2) so as equaes

bsicas do ejetor. O dimensionamento do ejetor desenvolvido com base na mecnica dos

fluidos e correlaes empricas, com auxlio do softwareEngineering Equation Solver(EES).

Na Tabela 4, so apresentados os dados de entrada do processo iterativo.

Tabela 4 Variveis operacionais do sistema de refrigerao por jato-compresso.

Variveis de entrada Valor

Presso do gerador (Pg) 0,53767 MPa

Temperatura do gerador (Tg) 90oC

Presso do evaporador (Pe) 0,043496 MPa

Temperatura do evaporador (Te) 10oC

Presso do condensador (Pc*) 0,13277 MPa

Temperatura do condensador (Tc*) 40oC

3.2.2 Clculo da garganta hipottica e da garganta do bocal primrio

O clculo da seo Ae realizado atravs de um clculo iterativo e uma tabela

termodinmica para encontrar as propriedades reais do gs de R141b. Este estudo contemplou

o uso do software EES e da tabela ASHRAE 1999. Para uma dada condio de (Pe, Te) na

suco, os procedimentos de clculos so os seguintes:

Dada a presso na garganta hipottica Py = Pe- P, encontra-se a entalpia neste ponto

para um processo isentrpico em uma tabela termodinmica hys = (Se, Py), onde Se = f(Te, Pe);

Calcula-se a velocidade do gs na garganta hipottica pelo balano de energia, onde

yseyes hhhh = a eficincia isentrpica do fluxo arrastado. Aqui tomado 85,0=s ;

)(2 ysesy hhV = (3)

Procede-se ao clculo da entalpia na garganta hipottica para um processo adiabtico,usando-se o balano de energia,


53/75

51

2

2y

ey

Vhh = (4)

Procura-se na tabela termodinmica o volume especfico do gs na garganta

hipottica;

yyy hPvv ,= (5)

Calcula-se o fluxo de massa por unidade de rea na garganta hipottica;

.y

y

e

ss

v

V

A

mG ==

& (6)

Retorna-se ao princpio e troca-se a presso na garganta hipottica Py. Repete-se o clculo

acima at Gychegar a um valor mximo uma condio de choque (bloqueio)

Calcula-se a rea da garganta hipottica Ae, usando a medio do fluxo de entrada sm& da

relao:

y

se

G

mA

&= (7)

Figura 20 Diagrama de bloco do processo de clculo da rea hipottica.


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52

Neste estudo, utilizou-se o processo acima (Fig. 20) at o passo 7. Obteve-se uma

descarga mxima de vapor primrio Gy = 2.135,74 kg/s.m2. Considerou-se a ideia de um

equipamento de pequeno porte e se limitou a dimenso da garganta do ejetor no dimetro de

1,0 mm, para a garganta do bocal primrio. Escolheu-se um tempo de operao de 10

minutos, multiplicou-se esse tempo pela descarga mxima calculada de vapor primrio e pela

rea de passagem da garganta, obtendo-se um volume de refrigerante de 1 dm3circulando no

tempo de 10 minutos. Alcanou-se um volume do vaso gerador de vapor de pouco mais de 1

litro, o que atendeu a ideia de um equipamento de pequeno porte.

Figura 21 Clculo do fluxo de massa na garganta hipottica.

Este processo tambm utilizado para o clculo da garganta do bocal primrio,

resultando o grfico da Figura 22.

Figura 22 Clculo do fluxo de massa na garganta do bocal primrio.


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53

Os resultados da aplicao s equaes de iterao proposto na literatura so

apresentados na Tabela 5.

Tabela 5 Resultados obtidos dos parmetros de simulao de ejetor para o dimetro dagarganta t= 1,0 mm

Varivel Valor

Fluxo de massa do fluido secundrio (sm& ) 0,39 g/s

Fluxo de massa do fluido primrio (pm& ) 1,68 g/s

Temperatura correspondente para o fluxo mximo de massa do fluido secundrio (Ty) -2oC

Temperatura correspondente para o fluxo mximo de massa do fluido primrio (T*) 71 oC

Fluxo de massa por unidade de rea atravs da garganta do bocal do fluido primrio 2135,74 kg/s.m2

Fluxo de massa por unidade de rea atravs da garganta hipottica do fluido secundrio 179,91 kg/s.m2

Calor latente de vaporizao no evaporador (10 oC) 233,07 kJ/kg

Calor latente de vaporizao no gerador (90 oC) 191,33 kJ/kg

Razo entre a rea da cmara de mistura e a rea da garganta do bocalA3/At 6,21

Razo entre a garganta hipottica do fluxo secundrio e a rea da garganta do bocalAe/At 2,75

Capacidade de refrigerao 0,091 kW

Capacidade do gerador 0,310 kW

Para o sistema proposto, a capacidade do evaporador de 91 W, e consequentemente,para um calor latente de vaporizao do R141b a 10C de h = 233,07 kJ/kg, tem-se um fluxo

de fluido secundrio atravs do evaporador de 0,39 g/s. O coeficiente de arraste calculado,

= 0,232 e esperado um COP = 0,292.

3.2.3 Clculo do bocal primrio do ejetor

O dimetro da garganta do bocal convergente-divergente foi determinado no item

3.2.2, Clculo da garganta hipottica e da garganta do bocal primrio, o qual foi

determinado pelo porte idealizado para o equipamento o dimetro de 1,0 mm. Para se

determinar o dimetro de sada do bocal primrio, foram utilizadas as equaes de

escoamento isentrpico de gs ideal, equaes 8 e 9, adotando-se o expoente k = 1,133, que

a mdia dos valores de k para o R141b no intervalo de temperaturas 10 a 90 C, obtido das

tabelas da ASHRAE Handbook (ASHRAE, 1997), resultando para um nmero de Mach =2,29 e um dimetro de sada do bocal de 1,7 mm.


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54

120

2

11

+=

k

k

Mk

p

p (8)

)1(2

1

2* 2

11

1

21 +

+

+=

k

k

Mk

kMA

A

(9)

Figura 23 Foto do ejetor fabricado em lato.

A Figura 23 representa o ejetor fabricado em lato: (1) bocal primrio, entrada do

fluxo vindo do gerador; (2) corpo do ejetor com cmara de mistura e difusor divergente; (3)

conexo de sada para o condensador, cujo dimetro de sada foi alterado posteriormente para

receber tubulao com dimetro de 3/8; (4) conexo de entrada do fluxo secundrio do

evaporador.

Figura 24 Esquema do bocal primrio do ejetor.


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55

Figura 25 Esquema do corpo do ejetor, modificado na conexo de sada.

3.3 MONTAGEM DO EQUIPAMENTO

O sistema de refrigerao por jato-compresso de vapor foi montado em uma base j

existente e adaptado para receber os equipamentos, acessrios, dispositivos de medio e

controle, conforme demonstrado na Figura 26 (a e b).

a) b)

Figura 26 Vista frontal e traseira do equipamento montado.


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56

Para se obter a condensao, foi adaptado um trocador de calor com tubos de 10 mm de

dimetro, aletados, do tipo compacto, visto que o condensador de geladeira utilizado

anteriormente apresentou perda de carga elevada, prejudicando o rendimento do ejetor. O

evaporador foi construdo a partir de uma serpentina evaporadora de um bebedouro tipo

gela-gua e um isopor para conservar latas de bebidas geladas.

3.4 CLCULO DO TUBO CAPILAR

O tubo capilar o dispositivo que introduz uma perda de carga em um sistema. um

tubo de pequeno dimetro e comprido que, em sistemas de refrigerao, liga o condensador

diretamente ao evaporador. A queda de presso atravs do tubo capilar ocorre devido a dois

fatores: 1) atrito, pela viscosidade do fluido, resultando queda de presso; 2) acelerao,

devido evaporao do lquido refrigerante, procedendo queda de presso dinmica.

Figura 27 Decremento de queda de presso em um tubo capilar. (ARORA, 2000).

Expanso isentlpica comumente assumida na termodinmica. No entanto, na

prtica, a expanso ocorre adiabaticamente, de acordo com a linha de Fanno de fluxo. A

entalpia no permanece constante, uma vez que a queda de presso, o aumento do volume e a


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ocorrncia de um incremento da energia cintica causam sua diminuio. Contudo, nas

primeiras etapas da queda de presso, no h diferena significativa entre a isentlpica e a

linha de fluxo de Fanno (Fig. 27).

O dimensionamento de um tubo capilar implica na seleo do orifcio e do

comprimento para fornecer o fluxo para a concepo da desejada presso do condensador e do

evaporador, sendo possveis diversas combinaes de comprimento e dimetro. O mtodo

utilizado pelos fabricantes normalmente por tentativa. Aqui, usado o princpio de projeto

baseado como segue.

O tubo capilar discretivo a um nmero n de elementos, em mtodos propostos por

Arora (2000).

Figura 28Elemento de um tubo capilar discretizado. (STOCKER;JONES, 1985)

A etapa de clculos a ser seguida a mesma para todos os elementos:

1) Determinar o ttulo no final do decremento assumindo fluxo isentlpico. Ento, no

ponto 1 e na presso p1:

11

11

fg

fK

hh

hhx

= (10)

2) Determinar o volume especfico:

1111 fgf vvxvv += (11)

3) Da equao da continuidade, calculam-se as velocidades em ambos os terminais

dos elementos:

cteGA

m

v

uou

A

vmue

A

vmu kk =====

&&& 11 (12)

G a vazo mssica por unidade de rea.


60/75

58

Para o fluxo na linha de Fanno, necessrio um procedimento iterativo. Isso feito

pela aplicao da correo da entalpia desde khh 1 . Assim,

2

2

11

uhhk=

(13)

O clculo do ttulo, volume especfico, velocidade e entalpia podem ser repetidos at

que o valor final da h1 seja igual ao seu valor na iterao anterior, o que obtido aps 3

iteraes.

4) Determina-se a queda de presso devido acelerao Ap , a partir da equao do

momento:

dumdpA &= (14)

Da,

( ) ( )11 uuGuuA

mp kkA ==

&

(15)

5) Determina-se a queda de presso devido ao atrito, Fp , de:

AF ppp = (16)

6)

Equipara-se queda de presso devido ao atrito a:

D

uLfpF 2

2= (17)

,1

Lev

= o comprimento do elemento.

Substituindo, ,, GA

muAum ===

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