Resfriamento via Energia Solar

1.656 visualizações

Publicada em

Resfriamento via Energia Solar
Antonio Pralon
antpralon@yahoo.com.br

Grupo de Pesquisa: LABRADS (Laboratório de Sistemas de Refrigeração por Adsorção)

Publicada em: Educação
0 comentários
4 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
1.656
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
2
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
58
Comentários
0
Gostaram
4
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Resfriamento via Energia Solar

  1. 1. Resfriamento via Energia Solar Antonio Pralon antpralon@yahoo.com.br Grupo de Pesquisa: LABRADS (Laboratório de Sistemas de Refrigeração por Adsorção) João Pessoa, 10-13 de dezembro de 2013
  2. 2. REFRIGERAÇÃO SOLAR POR ADSROÇÃO Tópicos 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Introdução Fundamentos de Adsorção Análise Termodinâmica do Ciclo de Adsorção Descrição de um Refrigerador Solar Autônomo Modelamento Matemático Cálculo dos Coeficientes de Transferência de Calor Dados Meteorológicos Apresentação e Análise de Resultados Desenvolvimento Experimental – resultados obtidos com o Protótipo Labrads
  3. 3. REFRIGERAÇÃO SOLAR INTRODUÇÃO Motivação do estudo:  Conservação de alimentos e vacinas - regiões não servidas pela rede elétrica - elevada disponibilidade de radiação solar Objetivos:  Modelamento matemático - refrigerador solar utilizando o par carvão ativado-metanol - dados meteorológicos locais: temperatura e umidade do ar, velocidade de vento, irradiação solar
  4. 4. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO   Sorção Sólida - absorção (forças de covalência) - adsorção (forças de origem eletrostática) - macroporos (diâmetro > 500 A)  Meios Porosos  - mesoporos (500 A > diâmetro > 20 A) - microporos (diâmetro < 20 A)  Mecanismos da adsorção - predominantemente nos microporos - condensação capilar
  5. 5. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO ISOTERMAS DE ADSORÇÃO  Equação de estado correlacionando: temperatura, pressão, concentração da fase adsorvida, f (T, P, a)  Lei de Henry (baixas concentrações): a  k c k P RT  Modelo de Langmuir (camadas monomoleculares): (P  0)  lei de Henry: a = s b P a sb P 1 b P
  6. 6. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO  Teoria de Gibbs (“energia de superfície” p): dGSdTVdPpdd - Com V  0 e T = cte (dT = 0), admitindo o equilíbrio entre as fases:  d dP dp    RT RT P ou ln P    o RT - Limitação: propriedades termodinâmicas da fase adsorvida representadas pela equação de gás perfeito
  7. 7. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO  Potencial de Adsorção - Base: campo de forças de superfície representado por contornos equipotenciais sobre a superfície microporosa - Potencial de adsorção e (trabalho para transportar uma molécula da fase gasosa até um ponto do campo de forças de adsorção, definido por Polanyi): e  RT ln( Ps / P) - Para adsorventes com distribuição Gaussiana de diâmetro de poros d e2 (DUBININ e RADUSHKEVICH): V V e o V - volume de adsorvato acima da superfície microporosa Vo - volume total dos microporos d - parâmetro característico da adsorção - Limitação: hipótese de independência da temperatura não é válida para baixas concentrações (não pode ser reduzida à lei de Henry)
  8. 8. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO  Equação de Dubinin-Astakhov (D-A) - Para adsorventes com distribuição de dimensões de poro do tipo polimodal (carvão ativado):  a  Wo rl (T)exp DT ln(Ps / P ) n  a - massa adsorvida por unidade de massa de adsorvente Wo - capacidade máxima de adsorção (volume de adsorvato/ massa de adsorvente) rl - massa específica do adsorvato líquido D - “coeficiente de afinidade” n - parâmetro característico do par adsorvente-adsorvato
  9. 9. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO  Características da equação D-A: - Campo de aplicação maior do que outras isotermas (3 parâmetros); - Caráter empírico (distribuição variável do potencial de adsorção); - Adequada para carbonos fortemente ativados; - Desvio residual de 2% em relação à dados experimentais da adsorção de metanol em carvão ativado para 20oC < T < 100oC.
  10. 10. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO CALOR ISOSTÉRICO DE ADSORÇÃO , Qst  Derivação parcial da isoterma de Gibbs  isóstera (função a massa adsorvida constante), conhecida como a fórmula de Clausius-Clapeyron:   ln P  q   st 2   RT   T a   ln Ps  L RT    T a  2 - Calor latente de condensação, L: - Derivação da equação D-A:  n   ln P  ln Ps a   ln ( Ps / P) T 1  T ln ( Ps / P)   T T nD   a - coeficiente de expansão térmica do adsorvato líquido - Multiplicando-se cada termo da equação diferencial por (RT2): a R T  (1  n )   qst  L  R T ln ( Ps / P)    T ln ( Ps / P)  nD 
  11. 11. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO CINÉTICA DE ADSORÇÃO - difusão nos poros de transporte (fase gasosa)  Tipos de difusão  - difusão microporosa (fase adsorvida)  Importância relativa (função da pressão) - Para P < 10 mbar, predominam as difusões mesoporosa e macroporosa - Para P > 10 mbar, a difusão microporosa é predominante
  12. 12. FUNDAMENTOS DE ADSORÇÃO  Modelo para a difusão intracristalina - Resistência ao transporte de massa linear: Di - coeficiente de difusão;  a 15 Di  2 (aeq  a ) t r r - raio médio do grão aeq - concentração na interface (dada por uma isoterma)  Modelo para a difusão nos poros de transporte - Um coeficiente de difusão efetivo De é definido, considerando-se três mecanismos de difusão: Dm - difusividade molecular DK - difusividade de Knudsen DP - difusividade de Poiseuille
  13. 13. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Hipótese adotada para adsorção (metanol/carvão ativado) - Resistência à transferência de massa negligenciada - Equilíbrio de adsorção dado pela equação de Dubinin-Astakhov  Condição: sistema sujeito à potências de até 50 W/kg adsorvente PAR ADSORVENTE-ADSORVATO  Critérios básicos para escolha - temperatura do evaporador - temperatura de regeneração
  14. 14. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Características do adsorvente - alta capacidade de adsorção a temperatura ambiente e a baixas pressões - baixa capacidade adsortiva a temperaturas e pressões elevadas  Características do adsorvato - temperatura de evaporação - calor latente de evaporação elevado - moléculas facilmente adsorvíveis - não ser catalisador de dissociação química
  15. 15. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Materiais microporosos adsorventes - gel de sílica - zeolita - alumina ativada - carvão ativado  Parâmetros físicos característicos - volume dos poros - superfície da estrutura porosa - distribuição das dimensões dos poros  Adsorventes mais usados em refrigeração - zeólita: estrutura cristalina seletiva às moléculas adsorvíveis, área superficial de 500 a 800 m2/g - carvão ativado: estrutura porosa de pequena seletividade, área superficial de 300 a 2.500 m2/g
  16. 16. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Pares mais comumente utilizados - zeolita-água - gel de sílica-água - carvão ativado-amônia - carvão ativado-metanol PAR CARVÃO ATIVADO-METANOL  Aplicação visada: produção de gelo  Carvão ativado - Estrutura microporosa de elevada área superficial - 78% do volume total correspondente a espaços vazios (23% de poros de difusão e 16% de microporos) - Densidade aparente: 420 kg/m3 - Diâmetro médio dos grãos: 1 mm - Tipo: AC-35 (indústria francesa CECA)
  17. 17. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Metanol - baixo ponto de congelamento ( - 94oC) - alto calor latente de evaporação ( 1.200 kJ/kg) - tamanho de molécula adequado para adsorção (4 A)  Trabalhos realizados (LIMSI-CNRS, Orsay, FRANÇA) - PONS e GRENIER, 1986 - PONS e GUILLEMINOT, 1986 - GUILLEMINOT et al, 1987 - PASSOS e ESCOBEDO, 1989 - MEUNIER, 1990 - ZHONG et al, 1992 - LEMINI et al, 1992 - BOUBAKRI et al, 1992 - BENTAYEB et al, 1994
  18. 18. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO ANÁLISE TERMODINÂMICA  Principais vantagens do ciclo de adsorção em relação ao ciclo de compressão de vapor - não necessidade de partes móveis - desempenho próximo ao de Carnot, para baixas temperaturas  Ciclo intermitente  - produção frigorífica (noturna) - regeneração (diurna)
  19. 19. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO a 30 T (saturação) C T con A D A-B-C: etapa de produção frigorífica 20 C-D-A: etapa de regeneração Tev 10 C B 0 0 20 T' 60 To o T( C ) 40 o 80 100
  20. 20. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Máquina ideal a 3 temperaturas (máquina tritérmica)  Coeficiente de desempenho térmico (COP) de Carnot: COP  ( ) Tev Treg  Tcon Qev  Qreg Treg ( Tcon  Tev )
  21. 21. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Máquina ideal a 4 temperaturas (máquina quadritérmica)  COP de Carnot: 1 COP  Tcon Treg To 1 Tev
  22. 22. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Expressão simplificada para o COP do ciclo quadritérmico - No equilíbrio fase adsorvida/fase gasosa: - Explicitando-se o termo L/DH: - Supondo-se Tcon DSe  0: COP  DH L DSe   Treg Tcond Tcon 1 Tcon DSe  Treg  1    L  Tcon COP  Treg
  23. 23. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Variação do COP em função da temperatura de regeneração Treg 2.0 1.6 Carnot ciclo tritérmico  COP de Carnot: 1.2 COP 1 COP  0.8 ciclo quadritérmico 0.4 0.0 0 40 80 T (o C ) reg 120 160 Tcon Treg To 1 Tev
  24. 24. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO Coeficiente de desempenho térmico global, COPt - Para uma dada temperatura de regeneração: m1 - massa de adsorvente Da - variação de concentração de adsorvato Q1 - calor sensível transferido no resfriamento do adsorvato de Tcon à Tev; Q2 - calor sensível para aumentar a temperatura do reator (massa de adsorvente + massa de coletor solar) de Tads a To ' Q3 - variação de energia interna da massa adsorvida correspondente à variação de temperatura do reator de Tads a Tcon
  25. 25. REFRIGERAÇÃO POR ADSORÇÃO  Coeficiente de desempenho térmico solar (bruto), COPs1: COPs1 c COPt  Coeficiente de desempenho térmico solar líquido, COPs2: COPs 2  M gelo L sol E si Esi - radiação solar incidente no plano de captação
  26. 26. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO  Princípio de funcionamento  Componentes básicos: - adsorvedor (leito poroso/coletor solar) - condensador - evaporador
  27. 27. CICLO DE ADSORÇÃO QDA QCD Conce ntración de me tanol (g/kg de adsorbe nte ) 310 270 230 190 150 adsorbedor 110 345 QAB 21 2 vapor 70 D 30 A 30 20 1 26 10 72 C 0 39 B 20 -10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Te mpe ratura de l carbón activado (ºC) 110 Pre sión de vapor (hPa) Te mpe ratura de saturación (ºC) a 40 QBC condensador vapor liquido evaporador
  28. 28. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO CARACTERÍSTICAS E DIMENSÕES DOS COMPONENTES ADSORVEDOR  Geometria - Multitubular, com o adsorvente ocupando um espaço anular (configuração proposta originalmente por VODIANITSKAIA e KLÜPPEL, 1984)
  29. 29. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO CARACTERÍSTICAS E DIMENSÕES DOS COMPONENTES ADSORVEDOR – LIMSI (Orsay, França)
  30. 30. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO CARACTERÍSTICAS E DIMENSÕES DOS COMPONENTES  Dimensões - Número de tubos: 13 - Diâmetro nominal: 76 mm - Comprimento dos tubos: 1 m - Superfície de captação solar: 1 m2 - Espessura do leito adsorvente: 21,5 mm - Quantidade de carvão ativado: 20 kg - Volume inicial de metanol: 7,6 litros
  31. 31. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO CARACTERÍSTICAS E DIMENSÕES DOS COMPONENTES  Superfície absorvedora - Seletiva, com e = 0,12 e a = 0,91  Cobertura - Duplo vitral preenchido por uma estrutura capilar em forma de colméia, de policarbonato – TIM(Transparent Insulation Material) (HOLLANDS, 1965, BUCHBERG e EDWARDS, 1976, SVENDSEN, 1989, ROMMEL e WAGNER, 1992)
  32. 32. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO • ADSORVEDOR
  33. 33. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO • CONDENSADOR  Características - Imerso em água, configuração mulitubular (potências de resfriamento noturno de 20 a 60 W/m2, LEITE e KLÜPPEL, 1993)  Dimensões - Diâmetro nominal dos tubos: 50 mm - Área total de troca de calor: 0,55 m2 - Volume de água no recipiente: 80 litros - Isolamento térmico: 100 mm (poliestireno expandido)
  34. 34. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO • CONDENSADOR
  35. 35. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO • EVAPORADOR  Características - Configuração mulitubular  Dimensões - Diâmetro nominal: 50 mm - Comprimento dos tubos: 0,5 m - Largura das aletas: 25 mm - Área total de troca de calor: 1,1 m2 - Volume de água a congelar: 10 litros
  36. 36. DESCRIÇÃO DO REFRIGERADOR SOLAR AUTÔNOMO • EVAPORADOR
  37. 37. MODELO MATEMÁTICO  Parâmetros calculados em função do tempo - distribuição de temperatura no adsorvedor - pressão do adsorvedor - massa adsorvida - temperatura e pressão do condensador - temperatura e pressão do evaporador - massa gelo produzido
  38. 38. MODELO MATEMÁTICO  Hipóteses principais 1) Equilíbrio de adsorção verificado em todos os pontos do adsorvedor e a cada instante. Difusão efetuada somente pela fase gasosa. 2) Resistência à transferência de massa intergranular e no interior poros desprezível. Considera-se, a cada instante, uniforme a pressão no leito poroso. 3) Distribuição de temperatura no adsorvente função somente da direção radial (condução de calor unidimensional). 4) Temperatura da placa absorvedora de radiação solar uniforme e independente de sua espessura. 5) Sistema adsorvente-adsorvato é considerado um meio contínuo e homogêneo para efeito de condução térmica. 6) Efeitos convectivos no interior do leito poroso desprezíveis. 7) Queda de pressão nos componentes, tubulações e interior do reator desprezível.
  39. 39. MODELO MATEMÁTICO ADSORVEDOR mp Cp p  Tp  2 p r1 Lt h (T  Tp )  (U t  Ub ) (Tamb  Tp )  I p (t ) t  Placa absorvedora (etapa diurna) Lt - comprimento do tubo (equivalente a uma área unitária) h - condutância térmica da interface absorvedor/adsorvente Ut - coeficiente de transferência de calor global entre a placa absorvedora e o ar ambiente, referente à face anterior do coletor Ub - coeficiente de transferência de calor global referente à parte posterior do absorvedor Ip - fluxo de radiação solar absorvida pela placa
  40. 40. MODELO MATEMÁTICO - Temperatura ambiente Tamb: Tamb  p  Tmax  Tmin Tmax  Tmin  sen  (t   ) D  2 2  j  Dj - duração do período diurno, em horas  - intervalo de tempo entre o pico da radiação solar e a temperatura máxima; adotou-se  = 1 h - Etapa noturna: m p Cp p  Tp  2 p r1 Lt (T  Tp )  (hc,v  p  hr ,v  p ) (Tv  Tp ) t hc,v-p e hr,v-p - coeficientes de transferência de calor, respectivamente, por convecção e por radiação, entre o absorvedor e o vidro - Temperatura do vidro, Tv :  Tv 1  (hc ,v  p  hr ,v  p ) (Tp  Tv )  (hV  hr ,v c ) (Tamb  Tv ) t  v r v Cpv  
  41. 41. MODELO MATEMÁTICO  Leito adsorvente:   2T 1  T  T r1 (Cp1  a Cp2 )  t  k   r 2  r  t   Q (r , t )   Q - calor da reação de adsorção/dessorção, - Cinética de adsorção, a/t : da   a  dT   a  d ln P     dt   T  ln P dt  P  T dt  da b dt com  d ln P q st dT     dt R T 2 dt    P b  a n D T n  ln s   P n 1 Q  q st r 1 a t
  42. 42. MODELO MATEMÁTICO - Combinando-se estas equações:   2T 1  T  T r1 (Cp1  a Cp2 )  t  k   r 2  r  t   Q (r , t )   - Processo isostérico de adsorção ou dessorção (adsorvedor isolado): d dt  a (T , P) 2 p r dr dz  0 d ln P  dt  b (a, T , P) qst r dr dz 2 RT  b (a, T , P) r dr dz - Na condensação ou na evaporação: P  P (t ) s
  43. 43. MODELO MATEMÁTICO CONDENSADOR mcon Cpcon d Tcon da  hc ,con Acon (Tw  Tcon )  L (Tcon ) r1  2 p r dr dz dt dt da 2 p r dr dz  0 - Durante a etapa de refrigeração:  dt - Temperatura da água Tw : mwCpw hd d Tw  hc ,con Acon (Tcon  Tw )  (hV  hr , w  c  hr , w  a ) As (Tamb  Tw )  dt  U lb Alb (Tamb  Tw )  Hw hd As (Wamb  Ww )   - coeficiente de transferência de massa hr,w-c - coeficiente de transferência de calor por radiação entre a superfície livre da água (área As) e o hemisfério celeste hr,w-a - coeficiente de transferência de calor por radiação entre a superfície livre da água e vizinhança (a Tamb)  - energia proveniente da componente difusa da radiação solar que atinge a superfície da água - Wamb e Ww  f(Tb.seco, Tb.úmido, Patm)
  44. 44. MODELO MATEMÁTICO EVAPORADOR     d Tev da mev Cpev   m2  r1  2 p r dr dz    dt   d t  ( ) ( )  hc ,ev1 Aev1 Tag  Tev  hc ,ev 2 Aev 2 Tcf  Tev  L (Tev ) r1  da 2 p r dr dz dt  Temperatura da câmara frigorífica, Tcf : r cf Vcf Cpcf d Tcf dt ( ) (  hc ,ev1 Aev1 Tev  Tcf  U cf Acf 2 Tar  Tcf )  Temperatura da água a ser congelada, Tag : - Se mg é a massa de gelo produzido, mg = 0 ; se Tag > 0 : - Quando Tag = 0 : Ls d mg dt ( ) (  U sol Aev1 Tev  Tag  U ag Acf 1 Tar  Tag )
  45. 45. MODELO MATEMÁTICO Uag - coeficiente de transferência de calor global entre a água e o ar ambiente Usol - coeficiente de transferência de calor de solidificação; função da espessura da camada de gelo em formação e da resistência térmica de contato entre o gelo e o evaporador CONDIÇÕES DE CONTORNO  Na interface placa absorvedora/leito poroso (r = r1)  T k   h Tp  Tn    r  r  r1 ( ) Tn - temperatura do adsorvente no último intervalo do espaço anular discretizado - A interface leito poroso/duto de circulação de adsorbato gasoso (r = ro) é considerada adiabática:   T  0     r  r  ro
  46. 46. MODELO MATEMÁTICO CONDIÇÕES INICIAIS  São fixadas em função da temperatura ambiente e das propriedades do par carvão ativado-metanol: Pt=0 = Po ao = 300 g/kg de CA T(r)t=0 = Tambt=0 = To Tcont=0 = Tambt=0 = To Tevt=0 = 0oC ; Tagt=0 = Tamb - 2 ; Tcft=0 = 4oC
  47. 47. MODELO DE RADIAÇÃO SOLAR  Dados solarimétricos utilizados: irradiação global (radiação total diária sobre um plano horizontal)  Dia médio representativo de cada mês  Cálculo dos fluxos horários de radiação solar direta Idir e difusa Idif - Irradiação difusa diária Hd / irradiação global diária H 2 H H H Hd  0,8223  0,5145    4,9579    4,6483   H  Ho   Ho   Ho  Ho - irradiação diária fora da atmosfera, f(f,,ws) (DUFFIE e BECKMAN, 1990) 3
  48. 48. MODELO DE RADIAÇÃO SOLAR - Irradiação difusa horária Idif / irradiação difusa diária Hd    I dif p  coswcosws    H d 24   2pws   senw cosws    360    - Irradiação global horária I / irradiação global diária H ( I p  0,4090,5016sen(ws 60o  H 24 ( )  0,6609  0,4767 sen (w s  60o ) )  cosw  cosw s  sen w s  ( 2 p w s / 360) cosw s    Obtidos os fluxos forários Idir e Idif, levantam-se polinômios de 4o grau para determinacão dos fluxos de radiação direta e difusa instantâneos
  49. 49. MODELO DE RADIAÇÃO SOLAR  Radiação solar recebida pela placa absorvedora, Ip ( ) ( ) I p  t ( ) a I dir  t (  60o ) a I dif com (t ( ) a )  1,01 (t h t v ) a t() - transmitância da cobertura TIM a - absortância da superfície absorvedora th - transmitância das células honeycomb, função de  tv - transmitância equivalente p/ as 2 placas de vidro, f()
  50. 50. COBERTURA TRANSPARENTE - Transmitância das células honeycomb, th: t h 0,51t s (1 ) com t s ( 1 )  r sn (n  1  R)  r s( n  1) ( R  n) R = H/(D tan1) H - altura das células D - diâmetro das células 1 - ângulo de incidência solar, f(f,,w,b) b - inclinação do coletor solar, b  9,5o (Sul) rs - refletividade equivalente especular, para H/D  5 rs = 0,977 n - parte inteira de R
  51. 51. COLETOR SOLAR  Rendimento térmico do coletor solar, c C o  UA (T  p Tamb ) dt Ac  I dt o – eficiência ótica do coletor - Definição alternativa: c  com Qads  Q2  Q3 I p dt Qads  m1 Da qst 1 U (Tp  Tamb ) I p dt
  52. 52. COEFICIENTES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR  Coeficiente de transferência de calor global entre o absorvedor e o ar ambiente, através da face anterior, Ut - Coletor solar com cobertura de TIM Etapa diurna: U t  (114  0,011DT ) W / m2 K , DT - diferença de temperatura entre o adsorvedor e o ambiente Etapa noturna. Escoamento em duto de seção retangular formado pelo espaço entre a placa absorvedora e a placa suporte da cobertura TIM, relação válida para Re > 2.200: Nu0,023Re0,8 Pr1/ 3 Nu  0,023 Re hc Dh Nu  kar 0,8 Pr 1/ 3 para Ly/Dh > 60 1  ( D / L ) Re  0, 7 h V Dh  ar y para Ly/Dh < 60
  53. 53. COEFICIENTES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR - Coletor solar com cobertura simples Etapa diurna 1     1 1  Ut      e hV C  Tp  Tamb       Tp  1  f     2  ( Tp  Tamb )( Tp2  Tamb ) (e p  0,00591 hV ) 1  1  f  0,133e p ev 1 f  (1  0,089 hV  0,1166 hV e p ) (1  0,07866 ) e  0,43 (1  100 / Tp ) C  520 (1  0,000051b 2 ) hV  2,8  3,0V para 0o < b < 70o
  54. 54. DADOS METEOROLÓGICOS JOÃO PESSOA (07o08’S, 34o50’ WG) VALORES MÉDIOS MENSAIS (período 1976-85)
  55. 55. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Fluxo de radiação solar absorvida (DEZEMBRO) 500 cobertura simples 450 400 350 IP ( W/m2) cobertura TIM 300 250 200 150 IP (simples) : ~ 470 W/m 2 max 100 IP (TIM) : ~ 410 W/m 2 max 50 0 5,5 8,8 12,0 tempo (h) 15,5
  56. 56. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Coeficiente global de perdas térmicas (DEZEMBRO) 8 _ U = 5,2 W/m2K cobertura simples U ( W/m2K ) 6 4 _ U = 2,1 W/m2K cobertura TIM 2 0 5,5 8,8 12,0 tempo (h) 15,5
  57. 57. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Eficiência de conversão térmica de energia solar DEZEMBRO 100 80 cobertura TIM _  c  56 % 60 c ( % ) 40 cobertura simples _  c  40 % 20 0 5,5 8,0 10,5 tempo (h) 13,0 15,5
  58. 58. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Distribuição de temperatura no leito adsorvente DEZEMBRO (cobertura TIM) 140 15h 29' 120 o T( C) 100 12h 09' 80 60 8h 49' 40 DTmax = 5 K 20 0 0 5 10 d (mm) 15 20
  59. 59. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Temperaturas da placa absorvedora e do adsorvente DEZEMBRO (cobertura TIM) 120 100 o T max = 116 C T( C ) 80 placa absorvedora 60 adsorvente 40 20 ar ambiente 0 5.5 12.1 18.8 tempo (h) 1.4 8.1
  60. 60. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Temperaturas da placa absorvedora e do adsorvente DEZEMBRO (cobertura simples) 120 100 Tmax = 89 o C T( C ) 80 placa absorvedora adsorvente 60 40 ar ambiente 20 0 5.5 12.1 18.8 tempo (h) 1.4 8.1
  61. 61. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Temperatura do condensador DEZEMBRO (cobertura simples) 34 32 T( C ) 30 28 26 condensador ar ambiente 24 22 20 5.5 8.0 10.5 tempo (h) 1.3 15.5
  62. 62. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Temperaturas do evaporador e da água DEZEMBRO (cobertura simples) 20 18 16 14 T( C ) 12 o água 10 evaporador 8 6 4 2 0 -2 18.8 22.1 tempo (h) 1.5 4.8
  63. 63. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Produção de gelo DEZEMBRO 10 cobertura TIM massa de gelo ( kg ) 8 6 4 cobertura simples 2 0 18.0 20.5 23.0 tempo (h) 1.5 4.0 6.5
  64. 64. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Ciclo termodinâmico DEZEMBRO 11 14h 58' 09h 17' 22000 9 8100 05h 29' 8 18h 05' 3000 cobertura TIM cobertura simples 7 10 20 30 40 50 60 70 o T( C) 80 90 100 110 120 P ( Pa ) ln P 10
  65. 65. RESULTADOS – SIMULAÇÃO NUMÉRICA  Comparação com um ciclo experimental (Março) 11 15h 23' 09h 51' 22000 9 8100 05h 33' 8 3000 18h 31' cobertura TIM cobertura simples 7 10 20 30 40 50 60 T( o C) 70 80 90 100 110 P ( Pa ) ln P 10
  66. 66. COMPARAÇÃO DE RESULTADOS Tcon (oC) Tamb (oC) Tev (oC) Mcond (kg) Mgelo (kg/m2) (MJ/m2) (%) 90 30 20 - 2,0 2,5 5,0 25,0 cobertura Simples (Março) 82 32 29 - 0,6 2,4 3,5 cobertura TIM (Março) 105 33 29 - 1,9 4,2 7,3 Tunisia (19kg/m2) Esi c Tmax (oC) COPs1 COPs2 41 0,15 0,067 19,6 42 0,26 0,060 19,6 59 0,39 0,124
  67. 67. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO ADSORVEDOR Cálculo do comprimento dos tubos L 1) Número de tubos: Nt = 8  Largura do adsorvedor: Wr = 0,61 m 2) Diâmetro dos tubos internos: di = 32 mm  Espessura do adsorvente: 22 mm 3) Densidade aparente do carvão ativado: 420 kg/m3 L Vad ( p 2 Nt Di  d2 i 4 ) onde Vad é o volume ocupado pelo adsorvente (Vad = 21/420 = 0,050 m3)
  68. 68. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO ADSORVEDOR Cálculo do comprimento dos tubos L L  0,050 p 8 (0,076) 2  (0,030) 2 4 ( - Comprimento do adsorvedor, Lads: )  1,65 m Lads  L  2 Es  1,65  2 x 0,05  1,75 m Es - distância de segurança, para evitar a queima do carvão ativo durante as soldas.  Superfície efetiva de captação solar projetada Sc Sc  Wr Lr  0,61 x 1,65  1,0 m2
  69. 69. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO ADSORVEDOR Massa total do adsorvedor, Mads  (0,077) 2  M r  20  7.900 x 0,001 x p 8 x 1,75 (0,077  0,030)  1,71 x 0,051    60 kg 2   DIMENSIONAMENTO DO CONDENSADOR Cálculo da potência térmica de condensação Qcon Qcon  Massa de me tan ol condensado ( M con ) x Calor Latente de condensação ( Lcon ) Duração da condensação (Dtcon )
  70. 70. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO CONDENSADOR Massa total do adsorvedor, Mads 1) Quantidade de carvão ativado no reator: 20 kg 2) Massa de metanol condensado: Mcon = 6,0 kg 3) Tempo de condensação: Dtcon = 3,4 horas = 12.240 s 4) Temperatura de condensação média: 27oC  Lcon = 1.160 kJ/kg Qcon 6,0 x 1.160 x 103   569 W 12.240
  71. 71. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO CONDENSADOR Cálculo da superfície de troca de calor, Acon Qcon Qcon  h c,con Acon DT  Acon  h c,con DT hc,con - coeficiente de troca de calor entre o condensador e a água de resfriamento. 1) Configuração adotada: convecção natural ao redor de um cilindro horizontal longo, de diâmetro interno Di = 32 mm e diâmetro externo De = 34 mm. 2) Propriedades da água tomadas à temperatura de 25oC 3) Diferença de temperatura média entre o condensador e a água: DT  1oC 4) O valor adotado para h: h = 470 W/m2K.  Acon  569  1,2 m2 470 x 1
  72. 72. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO CONDENSADOR Cálculo da superfície de troca de calor, Acon Para um comprimento dos tubos L = 0,8 m, a superfície de cada tubo Ao é Ao = p De L = p x 0,034 x 1,2 = 0,13 m2 Quantidade de tubos Nt Nt  Acon 1,2   9,2 Ao 0,13  N t  10
  73. 73. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO CONDENSADOR Massa total do condensador, Mads M mc  r m e (N t L c p D  2 Wc p D d ) onde Dd (2") é o diâmetro do tubo distribuidor e D é o diâmetro médio dos tubos do condensador. Mmc  7.900 x 0,001 x p (10 x 0,90 x 0,033  2 x 0,64 x 0,051)  9 kg DIMENSÕES DO RESERVATÓRIO DE ÁGUA Considerando a inclinação dos tubos, a altura do nível de água é fixada em 20 cm. Então, o volume de água, Ve, no reservatório é:   p (0,032)2   p (0,052)2  Ve  1,00 x 0,74 x 0,20  10  0,80  2  0,64   0,138 m3  138 litros 4 4     
  74. 74. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO EVAPORADOR Cálculo da potência térmica de evaporação Qev Qev  Qev1  Qev2 onde Qev1 é a potência de evaporação utilizada para diminuir a temperatura da água até 0oC e Qev2 corresponde à evaporação durante o congelamento. 1) Temperatura da água no início da evaporação: 16oC 2) Duração da evaporação para diminuir a temperatura da massa de água (10 kg) de 20oC à 0oC : Dtev1 = 1 h = 3.600 s (calor sensível correspondente: 840 kJ) 3) Temperatura de evaporação média correspondente a esta etapa: 10oC  Lev1 = 1.180 kJ/kg 4) Massa de metanol evaporada durante o resfriamento da água: M ev1 = 0,70 kg 5) Tempo de evaporação para congelar 10 kg de água inicialmente a uma temperatura de 0oC: 12 horas = 43.200 s (calor latente correspondente : 3.340 kJ) 6) Temperatura de evaporação média durante esta etapa: - 4oC  Lev2 = 1.190 kJ/kg
  75. 75. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO EVAPORADOR Cálculo da potência térmica de evaporação Qev Qev1 0,7 x 1.180 x 103   229 W 3.600 Qev2 5,3 x 1.190 x 103   146 W 43.200 Cálculo da superfície de troca de calor Aev O valor atribuído a Aev será o maior entre os 2 valores obtidos para as superfícies Aev1 et Aev2, cujos cálculos são mostrados a seguir. Cálculo da superfície Aev1: Qev1  h c,ev Aev1 DT  Aev1  hc,ev - coeficiente de troca de calor médio entre o evaporador e a água a congelar. Qev1 h c,ev DT
  76. 76. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO EVAPORADOR Cálculo de hc,ev 1) Configuração adotado: convecção natural em torno de um cilindro horizontal longo, de diâmetro interno Di = 55 mm e diâmetro externo De = 57 mm. 2) Propriedades da água tomadas à temperatura de 10oC. 3) Diferença de temperatura média entre o evaporador e a água: DT  1oC 4) Número de Rayleigh correspondente: RaD = 9,17 x 107 Para 107 < RaD < 1012 Num  0,125 Ra D0,3 3 3 h c,ev k  Nu m De   Num  0,125 (9,17x107 )0,3 3 3  56,0 2 h c,ev  355W / m K  Aev1  229  0,65 m2 355x1
  77. 77. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO EVAPORADOR Cálculo da superfície Aev2 Qev2  h sol Aev2 DTsol  Aev2  Qev2 h sol DTsol hsol – coef. médio de troca de calor entre o evaporador e a água durante a solidificação. Cálculo de hsol 1) Espessura média da camada de gelo: eg = 12 mm 2) Condutância na interface metal/gelo: hg = 34 W/m2K 3) Condutividade térmica do gelo (0oC) : kg = 2,26 W/mK  0,012 1  h sol     34   2,26 1  2 h sol  29 W / m K  Aev2  146  1,26 m2 29 x 4
  78. 78. DIMENSIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO DIMENSIONAMENTO DO EVAPORADOR Quantidade de tubos Nt Para um comprimento dos tubos L = 1,00 m, a superfície de troca de calor de cada tubo Ao é igual àquela de um semi-cilindro, qual seja 2 p De L p De p x 0,057  0,057  2 Ao    1,00    0,09 m 2 4 2 2   (Nt = 14) Massa metálica do evaporador Mme Mme  rm e (N t Le p D  We p Dd ) onde Dd é o diâmetro do tubo distribuidor e D é o diâmetro médio dos tubos do evaporador. Então Mme  7.900 x 0,001 x p (10 x 1,00 x 0,056  2 x 0,96 x 0,056)  16,5 kg
  79. 79. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Características do coletor solar COBERTURA (TIM)
  80. 80. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Características do coletor solar COBERTURA TIM Massa específica: 30 kg/m3 Diâmetro médio das células: 3,5 mm
  81. 81. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Características do coletor solar Placa absorvedora bi-facialmente irradiada coberturas TIM
  82. 82. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Características do coletor solar Geometria da placa absorvedora Coletor/Adsorvedor Solar  multitubular bi-facialmente irradiado, com superfície absorvedora não-seletiva, usando refletores semi-cilíndricos e coberturas TIM
  83. 83. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Características do coletor solar Adsorvedor multitubular (dimensões) placa absorvedora tela metálica 30 mm adsorvente Massa em cada tubo: 2,62 kg Massa total de adsorvente: 21 kg Massa metálica total: 39 kg Comprimento efetivo dos tubos: 1,65 m Largura do plano formado pelos tubos: 0,61 m  Ao = 1,00 m2 76 mm
  84. 84. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Características do coletor solar Coberturas TIM (dimensões) N 80 mm 60 mm
  85. 85. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Características do coletor solar Coberturas TIM inferiores Posição durante a regeneração Posição durante o resfriamento
  86. 86. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Vista geral do protótipo Financiamento: CNPq / BNB Colaboradores: ICAM – Lille, França IFFI/CNAM – Paris, França
  87. 87. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Adsorvedor – coletor solar Superfície total: 3,16 m2 Massa metálica: 39 kg
  88. 88. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Refletores e coberturas TIM
  89. 89. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Adsorvedor – coletor solar
  90. 90. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Sistema de otimização da incidência solar
  91. 91. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Condensador Superfície efetiva de troca de calor: 1,5 m2 Massa metálica: 19 kg Volume de água: 250 l
  92. 92. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Evaporador Superfície efetiva de troca de calor: Massa metálica: 33 kg 1,3 m2
  93. 93. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE REFRIGERADOR SOLAR POR ADSORÇÃO Câmara fria Volume útil: 0,085 m3 Volume efetivo: 0,045 m3
  94. 94. Parâmetros a serem medidos  Dados meteorológicos - Radiação solar total (direta + difusa) Temperatura do ar ambiente Velocidade do vento Umidade relativa Grau de cobertura de nuvens (zênite)  Propriedades do sistema - Temperatura dos componentes (adsorvedor-coletor solar, condensador, evaporador, câmara fria) - Pressão - Volume de metanol condensado
  95. 95. Radiação solar total
  96. 96. Temperatura ambiente e velocidade do vento
  97. 97. Temperatura da placa absorvedora 150 mm  225 mm Parte superior   225 mm  225 mm  225 mm     225 mm  225 mm 150 mm   1 2 3   o 4 5 6 7 8 o poços para medição das temperaturas do adsorvente
  98. 98. Temperatura da placa absorvedora (variação angular) md Ts incidência solar TL1 b . . TL2 . Ti .
  99. 99. Temperatura do adsorvente
  100. 100. Temperaturas no interior da câmara fria parede do tubo parede da câmara água a congelar isolante térmico
  101. 101. Medição da pressão
  102. 102. Medição do volume de condensado
  103. 103. Medição do volume de condensado (uso de válvulas) adsorvedor/ coletor solar V1 condensador V2 medidor de condensado evaporador
  104. 104. Período dos testes : Outubro - Dezembro 2003 • Ciclo 1 – 05 - 06 Outubro • Ciclo 2 – 29 - 30 Novembro • Ciclo 3 – 08 - 09 Dezembro
  105. 105. Radiação solar total e condição do céu Total Solar Radiation Night Sky Condition Day Sky Condition MJ/m2 19:00 - 3:00 10:00 - 13:00 CICLO 1 (5-6/10) 23.7 Clear Clear CICLO 2 (29-30/11) 23.2 Partly cloudy Cloudy CICLO 3 (8-9/12) 23.3 Cloudy Partly cloudy CICLO
  106. 106. Radiação solar total (condição do céu) Rayonnement Solaire Total (W m-2) 1200 1000 800 600 400 200 0 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 Horaire Local (h) Ciclo 1 (05/10/2003) – céu limpo 17:00
  107. 107. Radiação solar total (condição do céu) Rayonnement Solaire Total (W m-2) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Horaire Local (h) Ciclo 2 (29/11/2003) – céu parcialmente nublado
  108. 108. Radiação solar total (condição do céu) Rayonnement Solaire Total (W m-2) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 Horaire Local (h) Ciclo 3 (08/12/2003) – céu nublado 17:00
  109. 109. Distribuições de temperatura na placa absorvedora (tubos do adsorvedor)  Distribuição longitudinal - Variação máxima em relação à média aritmética de 3,0oC, na parte superior  Distribuição transversal - Variação máxima em relação à média aritmética de 3,5oC (parte superior) e de 3,2oC (parte superior) As coberturas TIM tendem a homogeneizar as temperaturas no adsorvedor
  110. 110. Incidência solar sobre a face inferior do adsorvedor Superfície inferior iluminada, para md = 2o (5/10/03)
  111. 111. Distribuição angular de temperatura 130 Temperatura (ºC) 120 110 11:30 12:00 100 12:30 90 80 0 90 180 270  (graus) Variação de temperatura em um tubo central do adsorvedor
  112. 112. Variação de temperatura no adsorvedor 110 Tamb 100 Tp 90 Température (ºC) Tca 80 70 60 50 40 30 20 04:00 05/10 08:00 05/10 12:00 05/10 16:00 05/10 20:00 05/10 Ciclo 1 (05/10/2003) – céu limpo 00:00 06/10 04:00 06/10
  113. 113. Ciclo termodinâmico Concentration (g/kg) 310 40 270 230 190 150 110 345 212 212 30 9:25 30 20 13:57 126 10 72 0 39 150 4:00 19:00 3:20 -10 20 30 40 50 60 20 70 80 90 100 Regenerating tem perature (ºC) Ciclo 1 (5-6/10) – céu limpo 110 120 Vapor pressure (hPa) Saturating tem perature (ºC) 70
  114. 114. Durações da dessorção e da adsorção, variações de concentração e de quantidades de metanol condensado e evaporado Ciclo 1 (5-6/10) Ciclo 2 (29-30/11) Ciclo 3 (8-9/12) 4 h 32’ 3 h 48’ 4 h 03’ Da na regeneração (g kg-1) 143 95 110 Massa de metanol condensado (kg) 3,0 2,0 2,3 8 h 20’ 7 h 00’ 8 h 00’ Da na adsorção (g kg-1) 141 95 60 Massa de metanol evaporado (kg) 3,0 2,0 1,3 CICLO Dessorção Adsorção
  115. 115. Variações de temperaturas no condensador Condenseur - Variation des températures 34 Température (ºC) 32 30 28 26 24 22 20 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Horaire local (h) Tparede recipiente Tágua Tcondensador Tambiente 19:00
  116. 116. Variações de temperaturas no interior da câmara fria Chambre froide - Variation des températures 35 30 Tempé rature (ºC) 25 20 15 10 5 0 -5 -10 5:00 8:00 11:00 14:00 17:00 20:00 23:00 2:00 5:00 Horaire Local (h) T ambiente T água T sat T ar câmara T evap
  117. 117. Temperaturas mínimas no interior da câmara fria Tsat (oC) Tev (oC) Ciclo1 (5-6/10/03) - 6,6 Ciclo 2 (29-30/11/03) Ciclo 3 (8-9/12/03) CICLO Tgelo (oC) Mcon (kg) Mgelo (kg) - 4,6 - 3,3 3,0 6,05 - 5,5 - 2,5 - 1,5 2,0 2,10 - 4,9 - 1,8 - 0,5 2,3 0
  118. 118. Fragmento de gelo retirado do evaporador (6/10/2003)
  119. 119. Cálculo do coeficiente de performance Qev térmica, COP, para o ciclo 1: COP  Qreg
  120. 120. Cálculo do rendimento térmico solar,  (ciclo 1) : 8949 (kJ) Qreg    38 % 2) 23700 (kJ /m2) Esi 1,00 (m Cálculo do coeficiente de performance solar bruto, COPs1 (ciclo 1): COP1  COP  0,38 x 0,37  0,141 s
  121. 121. Cálculo do coeficiente de performance solar líquido, COPs2 (ciclo 1): M glace Lsolidif COPs2  Esi 6,05 (kg) x 334 (kJ /kg) COPs2   0,085 23700 (kJ /m2) Perdas térmicas dentro da câmara fria:  M gelo teórica  Coef . de Perdas    M gelo real     1  M CH O LCH O  4 4   Lsolidif    M gelo real        1  3,0 kg x 1200 kJ / kg    334 kJ / kg    6,05 kg       1  10,78   6,05    1  0,56
  122. 122. Cálculo do coeficiente de performance térmica, COP, para o ciclo proposto:
  123. 123. Cálculo do rendimento térmico solar,  :  8420 (kJ) Qreg   38 % 2) 22000 (kJ /m2) Esi 1,00 (m Cálculo do coeficiente de performance solar bruto, COPs1: COP1  s Qev  COP  0,38 x 0,33  0,125 Esi Cálculo do coeficiente de performance solar líquido, COPs2: 0,56 x (2,52kg x1200kJ /kg ) 5,07 kg x334kJ /kg 334kJ / kg COP2    0,077 s 2) 2) 22000 (kJ /m 22000 (kJ /m

×