SISTEMA DE REFRIGERAO POR JATO ? instalaes de refrigerao comercial Coulomb ... refrigerao

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  • VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECNICA VI NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING

    18 a 21 de agosto de 2010 Campina Grande Paraba - Brasil August 18 21, 2010 Campina Grande Paraba Brazil

    SISTEMA DE REFRIGERAO POR JATO-COMPRESSO DE VAPOR DE BAIXO CUSTO E DE PEQUENO PORTE, INTERMITENTE

    Luiz Carlos Pereira Vargas, vargas@ifba.edu.br1 Cleiton Rubens Formiga Barbosa, cleiton@ufrnet.br2 Francisco de Assis de Oliveira Fontes, franciscofontes@uol.com.br3

    1Instituto Federal da Bahia, IFBA, Rua Emdio dos Santos, s/n - Barbalho - Salvador - Bahia. CEP: 40301-015, 2Universidade Federal do Rio Grande do Norte, PPGEM Centro de Tecnologia CEP 59.072-970- Natal - RN, 3Universidade Federal do Rio Grande do Norte, PPGEM Centro de Tecnologia CEP 59.072-970- Natal RN. Resumo: A utilizao do calor residual, rejeito trmicos, de equipamentos de converso de energia para produzir frio, uma forma muito interessante de melhoria da eficincia dos sistemas energticos. A presente pesquisa destina se a montar um equipamento de refrigerao por jato compresso de vapor (ejetor) de baixo custo e pequeno porte para verificao experimental das caractersticas deste sistema de refrigerao com uso de fonte de uma calor. Inicialmente, foi realizado um levantamento bibliogrfico sobre a tecnologia de sistemas de refrigerao por jato-compresso. Na fase seguinte investigou-se a concepo do principal elemento da proposta de sistema de refrigerao, o ejetor. A metodologia emprica utilizada no clculo de ejetor est disponvel na literatura. Com o auxlio do software EES (Engineering Equation Solver) foram realizados estudos (simulaes) para diferentes fluidos refrigerantes sintticos. O fluido R141b apresentou as propriedades termodinmicas e de transporte necessrios para o funcionamento eficaz do sistema proposto. Com base nos resultados da simulao foi selecionado o fluido refrigerante e desenvolvida uma bancada experimental do sistema de refrigerao proposto, onde sensores de presso e temperatura foram inseridos em pontos estratgicos do prottipo de refrigerao e conectados a um sistema de aquisio de dados computadorizado para medio das propriedades do fluido refrigerante no ciclo termodinmico. Os resultados obtidos revelam boa concordncia com aqueles encontrados na literatura. Palavras-chave: ejetor, rejeitos trmicos, refrigerao por ejetor, ciclo de refrigerao intermitente.

    1. INTRODUO A refrigerao desempenha um papel importante na vida moderna, com os mercados especiais para o transporte e

    conservao de alimentos refrigerados ou congelados, na preservao de medicamentos e no condicionamento de ar para conforto trmico. Pode-se dizer que a importncia da refrigerao vital para a vida nas cidades, onde muito grande a concentrao de pessoas, considerando que os alimentos so originados no campo e imediatamente aps a sua colheita das diversas culturas, esses devem ser refrigerados para transporte e armazenamento de: frutas; flores; legumes; leite e carne. importante tambm para: o comrcio de alimentos frescos, peixes; bebidas geladas; para os hospitais, na conservao de sangue, medicamentos e vacinas. H um crescimento continuo na demanda de equipamentos na rea dos alimentos, segundo Coulomb (2008) representava 1 bilho de equipamentos de refrigerao domstica em todo o mundo, valor este que dobrou decorrido 12 anos.

    A maioria dos equipamentos utilizados em refrigerao baseada na compresso e expanso de um refrigerante. Devido a 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 estava cheia de problemas ambientais. Os CFCs estavam causando depleo da camada de oznio e o aquecimento global (gases do efeito estufa) onde a conteno e recuperao aps o uso no estavam sendo feitos corretamente. Alem disso ocorrem vazamentos de refrigerante de at 15% ao ano em instalaes de refrigerao comercial Coulomb (2008).

    A substituio dos CFCs por outros refrigerantes e o desenvolvimento de novos sistemas e otimizao dos sistemas existentes uma necessidade. Estes outros refrigerantes incluem hidro-fluor-carbonos (HFC), que apenas tm um impacto do aquecimento global, e refrigerantes naturais (amnia, CO2, hidrocarbonetos), com insignificante ou nenhum impacto sobre o aquecimento global. Outras tecnologias de refrigerao existentes 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.

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    Nos processos de combusto, para transformar a energia trmica em energia mecnica, uma parte significativa da

    energia desperdiada como resduo ao meio ambiente. Este calor rejeitado pode ser utilizado em sistemas de refrigerao por absoro, adsoro ou por ejetor, sendo este processo chamado de cogerao ou tambm em ciclos combinados, aproveitando-se esta 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 de baixo coeficiente de desempenho (COP) para o ciclo, em comparao com os sistemas de absoro. A refrigerao por absoro j est sendo utilizado no mercado em sistemas de cogerao.

    Um sistema de refrigerao 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. Estes sistemas tm vantagens em relao aos sistemas de compresso de vapor, a saber: no tem partes mveis, no requerem lubrificao, baixo custo e pequena manuteno operao, alm de aproveitar energia barata.

    O objetivo deste trabalho o desenvolvimento do projeto de um sistema de refrigerao por jato-compresso de vapor. Para a anlise em questo, foram utilizados neste trabalho a plataforma EES (Engineering Equation Solver) e o mtodo emprico, proposto por Huang e Chang (1999), onde so usados para correlacionar o desempenho do ejetor a razo entre a rea da garganta hipottico do fluxo arrastado e a rea da garganta do bocal do fluxo primrio Ae/At, os parmetros geomtricos de projeto do ejetor, a razo entre a rea da cmara de mistura e a rea do bocal primrio A3/At, e a razo entre as presses de gerao e de evaporao, Pg/Pe, e a presso crtica de condensao e a presso de evaporao Pc*/Pe.

    2. SISTEMA DE REFRIGERAO POR JATO COMPRESSO

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

    condensador e o outro como evaporador, um ejetor e uma bomba.

    Figura 1a. Sistema de refrigerao convencional com ejetor.

    Figura 2b. Diagrama do ejetor.

    O gerador entrega calor ao fluido de acionamento (refrigerante), que evaporado em presso alta. O vapor gerado

    levado ao bocal supersnico do ejetor onde a energia trmica do vapor transformada em energia cintica, atingindo velocidade supersnica. A energia cintica do fluxo primrio faz a compresso do vapor existente no evaporador, fluxo secundrio, comprimindo-o, misturando-se a este na cmara de mistura. O fluxo misturado sai da cmara de mistura em velocidade subsnica e entra no difusor do ejetor, para aumentar sua presso. O fluxo misturado que sai do ejetor e conduzido ao condensador, onde o vapor condensado fase lquida. O liquido condensado divido em dois fluxos, um alimenta o evaporador atravs de um dispositivo de expanso, que introduz uma perda de carga neste fluxo, possibilitando a presso baixa do evaporador, o outro fluxo vai para a suco da bomba que eleva a presso do refrigerante presso do gerador.

    Este 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 este ciclo ser conhecido por ciclo de refrigerao por jato compresso de vapor. A eficincia desse ciclo depende principalmente da disponibilidade de uma fonte gratuita de calor solar ou de aproveitamento de rejeitos de calor.

    2.2. Modo de funcionamento do ejetor

    No funcionamento do ejetor ocorrem dois fenmenos de bloqueio (choque) Huang et al (1999): um no fluxo

    primrio aps sair do bocal e o outro no fluxo secundrio, 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 2 mostra a variao da relao de arraste com a PC da descarga ou da presso de sada a uma

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    presso fixa de suco Pe e a um fluxo de presso primria fixa Pg. O desempenho do ejetor pode ento ser 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 arrastado, so ambos

    bloqueados e a relao de arraste constante, isto , = constante; 2- Choque simples ou modalidade subcrtica cocc PPP

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    *

    CC PP < , o COP do sistema diminui quando a temperatura da fonte quente (gerador) maior do 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 teve 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.

    Huang et al. (1999) fizeram, atravs de uma anlise de um modelo de fluxo do ejetor unidimensional (1-D), 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 11 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: eficincia adiabtica no bocal primrio; eficincia adiabtica no fluxo secundrio; perda por atrito do fluxo primrio e perda por atrito na cmara de mistura antes do choque, respectivamente. Mostra-se que 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 15 ejetores, utilizando R141b como fluido de trabalho. Estas correlaes so utilizadas para prever o desempenho de ejetores a partir dos parmetros geomtricos de projeto do ejetor e as relaes de presso entre a presso 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%. mostrado nesse estudo que o R141b um bom fluido de trabalho para um sistema com ejetor e prope a utilizao desse mtodo para o projeto do ejetor desses sistemas de refrigerao. Este 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 , Pe e PC*. Este mtodo detalhado no projeto do ejetor, item 3.3.

    Yapici (2008) apresentou um novo projeto de ejetor baseado em um modelo com cmara de mistura de rea constante, a fim de investigar o desempenho de um sistema de refrigerao por jato compresso em uma ampla gama de variveis de funcionamento. Um ejetor, com bocal primrio mvel, foi montado sobre o sistema que foi previamente construdo para refrigerantes de baixa presso. O sistema de refrigerao modificado e foi testado com gua quente e usado como fluido de trabalho o R123. Os efeitos da temperatura de operao sobre a capacidade trmica e do coeficiente de desempenho do sistema foram investigadas 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 super-snico). 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 estes sistemas de refrigerao so baseados na teoria e nos dados experimentais, se 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.

    Sriveerakul, Aphornratana e Chunnanond, parte 2, (2007) fazendo um estudo CFD (Dinmica dos Fluidos Computacional), 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. Este estudo j tinha sido validado em estudo anterior, Sriveerakul, Aphornratana e Chunnanond, parte 1, (2007), na comparao dos dados obtidos em simulao computacional com dados experimentais. Eles obtiveram curvas de presso esttica na linha de centro do ejetor e uma visualizao grfica dos fluxos envolvidos com seus perfis de velocidades. Mostraram as mudanas estruturais dos fluxos e seus comportamentos dentro das cmaras do ejetor e a suas influncias na performance de funcionamento do ejetor. Concluram que a CFD uma boa ferramenta para a previso do desempenho do ejetor, da razo de arraste e da contrapresso crtica. Ela tambm fornece uma boa explicao e visualizao da estrutura de fluxo no ejetor. Usando as informaes obtidas no CFD leva ao desenvolvimento do projeto do ejetor de alta performance.

    3. MODELAGEM

    A configurao do sistema de refrigerao estudado o ciclo intermitente por jato-compresso de vapor, que

    mostrado na Fig. 1b. 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 deste 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 solenides. O acumulador e trs vlvulas solenides substituem a bomba que aciona o sistema convencional (Fig 1a) de jato-compresso de vapor para produo de frio, transformando-o em um sistema de trabalho intermitente.

    Este sistema de refrigerao tem duas fases de operao:

    I. Fase de produo de frio O sistema trabalha com as vlvulas solenides (VSA) e (VSC) fechadas a vlvula solenide (VSB) aberta. O calor, que entra no sistema fornecido para o gerador, que gera vapor a

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    alta presso, que liberado aps ser atingida a presso de operao, quando da abertura da vlvula solenide (VSD). O vapor ao passar pelo ejetor e arrasta vapor do evaporador, reduzindo sua presso e baixando sua temperatura produzindo o frio. Os vapores so misturados no ejetor e conduzidos ao condensador, onde ser liquefeito, descartando o calor do sistema. Parte deste condensado vai para o evaporador atravs do dispositivo de expanso (tubo capilar) e a outra parte armazenada no acumulador.

    II. Fase de recarga de refrigerante - As vlvulas solenide (VSA) e (VSC) so abertas e as vlvulas

    solenides (VSB e VSD) so fechadas. O fluido de trabalho do vaso acumulador transferido para o gerador, completando o ciclo intermitente.

    Figura 3 - Diagrama do sistema de refrigerao intermitente por jato-compresso de vapor

    3.2. Seleo do refrigerante

    A seleo do refrigerante foi definida em funo da caracterstica da linha de vapor saturado no diagrama T-S e do

    princpio de funcionamento do ejetor. Em primeiro lugar, 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 um mau funcionamento do ejetor. Como no sistema proposto o refrigerante no superaquecido, priorizou-se a operao com fluidos secos. Em segundo lugar, se a inclinao da curva de vapor saturado for positiva, 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 estes sistemas: a) o lquido deve ter um grande calor latente de vaporizao, de forma a minimizar a taxa de circulao por unidade de capacidade de refrigerao, b) a presso hidrosttica no gerador de vapor no deve ser demasiado elevado, a fim de evitar vasos de construo pesada; c) o fluido deve ser quimicamente estvel, no-txico, no explosivo, no corrosivo, ecolgicos e de baixo custo; d) 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 1 mostra os refrigerantes pr-selecionados para a operao e suas respectivas caractersticas.

    Tabela 1. Refrigerantes para refrigerao com ejetor. Chunnanond an Aphornratana (2004)

    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) at 100oC 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 mido 1 (Global warming potential); 2 (Ozone depletion potential)

    A anlise da Tabela 1 revela que o R718b, (gua), apresenta as caractersticas ideais para o funcionamento do sistema proposto, no entanto, existem algumas desvantagens. Usando a gua como refrigerante a temperatura de refrigerao limite dever estar acima de 0C e o sistema deve estar 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 para atender ao grande fluxo volumtrico (Chunnanond e Aphornratana, 2004). A seleo final limitou-se 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.

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    (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) utilizou a amnia (R717) de forma satisfatria. Selvaraju e Mani (2004) fez uma anlise comparativa do desempenho do ejetor operando com R134a, R152a, R290, R600 e R717. Eles concluram que o R134a d um melhor desempenho e maior razo crtica de arraste, em comparao com os 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. A autora 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, com o R152a dando o melhor desempenho entre todos os outros refrigerantes. Utilizando os HFC, que no causam reduo do oznio, tambm produz-se benefcios ambientais suplementares.

    3.3. Projeto do ejetor

    O ejetor o elemento chave do sistema de refrigerao de jato-compresso de vapor, sendo descoberto, por Charles

    Parsons quando fazia vcuo em condensadores para turbinas a vapor. O sistema de refrigerao de jato-compresso de vapor foi estudado, em primeiro lugar, por Leblanc em 1910 apud Chunnanong e Aphornratana, 2004 e (Chen e Sun 1977). O ejetor consiste basicamente de quatro partes principais: bocal primrio convergente-divergentes, cmara de suco, cmara de mistura e difusor divergente. A cmara de mistura classificada: a presso constante e a volume constante. Neste trabalho ser utilizada a cmara de mistura a volume constante. Huang e Chang (1999) define trs modos operacionais para os ejetores de acordo com a contra-presso (presso de condensao): no modo crtico

    cc PP * , quando o fluxo primrio e o fluxo arrastado entram em choque na cmara de mistura (so bloqueados); no modo subcrticos enquanto apenas o fluxo primrio bloqueado, e no modo de mau funcionamento, quando tanto o fluxo primrio e o fluxo secundrio no so bloqueados. Para um melhor desempenho de um sistema de refrigerao a jato-compresso de vapor, o ejetor dever ser projetado e operado no modo crtico. Onde Pc a presso de condensao, Pe a presso 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 Pc = Pc*, como o melhor desempenho obtido com o modo crtico.

    No mtodo de dimensionamento do ejetor foi assumido que a mistura dos dois fluxos (primrio e secundrio), ocorre em uma rea efetiva Ae na cmara de mistura de volume constante e com base na correlao emprica proposta por Huang e Chang (1999). O desempenho estimado pelo clculo do quociente entre o fluxo primrio e o fluxo 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, Pc e Pc*. O fluxo primrio parte do gerador e o fluxo secundrio parte do evaporador. A Figura 2 mostra um modelo esquemtico das regies e suas dimenses caractersticas.

    Figura 02. Diagrama esquemtico do modelo do ejetor, regies e dimenses. Huang e Chang (1999)

    3.3.1. Correlaes empricas do ejetor

    O dimensionamento do ejetor para operar com R141b, foi utilizado o mtodo emprico proposto por Huang e Chang

    (1999). As dimenses caractersticas, apresentadas na Fig. 2, so determinadas com bases nas seguintes equaes:

    +

    =

    ttt

    e

    A

    A

    A

    A

    A

    A 32

    3 4362,10517,0 (1)

    22

    82

    72

    62

    5432

    2103

    gcgcggcgcgcct

    rrbrrbrbrrbrrbrbrbrbbA

    A ++++++++= (2)

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    Onde: ;3116,2;4952,1;7759,6;4497,5;; 3210*

    ====== bbbbPP

    rPPr

    e

    gg

    e

    cc

    .000812145,0;012983,0;03786,0;018105,0;590,0 87654 ===== bbbbb

    Ae a rea da garganta hipottica do fluxo secundrio, At 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 software EES (Engineering Equation Solver). Na tabela 2, so apresentados os dados de entrada do processo iterativo.

    Tabela 2 - Variveis operacionais do sistema de refrigerao por jato-compresso Variveis de entrada Valor

    Presso do gerador (Pg) 0,53767 MPa Temperatura do gerador (Tg) 90

    oC Presso do evaporador (Pe) 0,043496 MPa

    Temperatura do evaporador (Te) 10oC

    Presso do condensador (Pc*) 0,13277 MPa Temperatura do condensador (Tc*) 40

    oC

    Tabela 3. Parmetros de simulao de ejetor para o dimetro da garganta t = 1,0mm 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*) 71oC 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 (10oC) 233,07 kJ/kg Calor latente de vaporizao no gerador (90oC) 191,33 kJ/kg

    Razo entre a rea da cmara de mistura e a rea da garganta do bocal A3/At 6,21 Razo entre a garganta hipottica do fluxo secundrio e a rea da garganta do bocal

    Ae/At 2,75

    Capacidade de refrigerao 0,091 kW Capacidade do gerador 0,310 kW

    No sistema proposto, a capacidade do evaporador de 91 W, e conseqentemente, 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.

    Figura 03 Ejetor fabricado em lato

    A Figura 3 mostra o ejetor fabricado em lato (custo de R$ 160,00): (1) o bocal primrio, entrada do fluxo vindo do

    gerador; (2) o corpo do ejetor com cmara de mistura e difusor divergente; (3) conexo de sada para o condensador (foi modificado para o dimetro de sada de 10 mm); (4) conexo de entrada do fluxo secundrio do evaporador.

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    3.1. Montagem do equipamento O sistema de refrigerao por jato-compresso de vapor foi montado em uma base (skid) j existente na UFRN e

    adaptado para receber os equipamentos, acessrios, dispositivos de medio e controle, conforme figuras 4. O condensador, com tubos aletados, tipo compacto, foi adquirido no comrcio de reciclagem ao custo de R$80,00

    visto que o condensador de geladeira utilizado anteriormente apresentou uma perda de carga elevada, prejudicando o rendimento do ejetor. O evaporador foi construdo de a partir de uma serpentina de um gela gua e um isopor para conservar latas de bebidas geladas. As trs vlvulas solenides foram adquiridas por R$ 162,00 cada uma, mas podem ser substitudas por vlvulas manuais, com as que foram colocadas nas linhas de equalizao e de drenagem (Figura 4). As tubulaes e conexes de cobre foram adquiridas por R$198,80, e os vasos, gerador e acumulador, ao custo de R$160,00, utilizando-se sucata de tubo e chapa de ao inoxidvel. Os sistemas de medio e controle j eram disponveis no Laboratrio de Energia da UFRN. O evaporador foi montado com serpentina evaporadora de um gela gua e um isopor de conservao de frio de bebidas, ao custo de R$30,00. O custo total de material ficou em torno de R$976,00

    Figura 4 Vista frontal e traseira do equipamento montado

    4. RESULTADOS

    Em todos os ensaios realizados, foi calculado o COP do sistema, considerando-se somente a fase de produo do

    frio, ou seja, foi desconsiderada a energia gasta na fase de aquecimento do sistema, regime transiente. Foi considerada para o clculo do COP a energia trocada no perodo de tempo decorrido entre a abertura das vlvulas de liberao do vapor do gerador e a estabilizao do esfriamento da gua no evaporador, perodo de produo do frio, Figura 5. O trmino da fase de gerao de vapor foi determinado pela queda da temperatura de entrada do condensador, que conseqncia da reduo da vazo do vapor e da reduo da fase de lquido no gerador. A estabilizao da temperatura no evaporador em razo da queda de presso no gerador.

    Figura 5 Registro de temperaturas, ensaio tpico.

    A massa de gua no evaporador em todos os ensaio foi de 2,0 kg e o calor especfico da gua utilizado nos clculo foi de 4,183 kJ/kg.

  • V I C o n gr es s o N a c i o n a l d e E n g e n har i a M e c n i c a , 18 a 2 1 de A g o s t o 2 0 10 , C am pi n a G r a n d e - P ar a b a

    4.2. Resultado dos ensaios No grfico a seguir so registrados os dados dos ensaios realizados

    Figura 07 Grfico dos ensaios realizados, sem os de resultados inexpressveis.

    Observa-se que os resultados esto aqum dos obtidos pelos por Huang e Chang (1999), o COP calculado para o

    dimensionamento utilizado neste trabalho seria de 0,296, sendo que o melhor resultado obtido do COP foi de 0,221, que 25% abaixo do esperado. Pode ter contribudo para este desvio o pequeno porte do equipamento construdo a rugosidade especfica na superfcie interna do ejetor, como conseqente aumento do coeficiente de atrito, o que seria minimizado em equipamentos de maior porte. Outra explicao e seria a dificuldade de usinagem, acabamento e concordncia das superfcies internas do ejetor bem como a usinagem dos ngulos de convergncia e divergncia na superfcie interna do ejetor, que tambm pode ter contribudo com a discrepncia entre a temperatura de projeto do jetor e 90C e a temperatura de 90C em que se obteve o maior COP.

    O sistema muito sensvel a temperatura de condensao, e como o condensador, tipo compacto, foi adaptado, ele mostrou-se sub-dimensionado para a carga trmica do sistema, foi necessrio insuflar gua na serpentina, transformando-o em condensador evaporativo, para se obter um bom desempenho.

    5. CONCLUSES

    O objetivo deste trabalho o desenvolvimento do projeto de um sistema de refrigerao por jato-compresso de

    vapor, e a verificao do coeficiente de performance (COP). Para atingir esta meta foi montado o sistema descrito. Os resultados da simulao e projeto do ejetor de um sistema de refrigerao por jato compresso de vapor nos fornece as seguintes concluses:

    a) O programa desenvolvido para o dimensionamento do ejetor uma ferramenta til e pode ser facilmente aplicada a outros refrigerantes;

    b) Em um projeto modular do ejetor pode-se operar o dispositivo de refrigerao com outros refrigerantes pela simples troca de componentes;

    c) O ejetor, trabalhando com R141b, respondeu satisfatoriamente nas simulaes do sistema de refrigerao proposto;

    d) Os resultados das simulaes mostram que o ciclo de refrigerao proposto, pode operar com fontes de baixa temperatura (coletor solar, regenerao dos gases de exausto de sistemas de gerao de potncia ou calor rejeitado de processos industriais).

    6. AGRADECIMENTOS

    Agradecemos o apoio do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (PPGEM/UFRN), ao Instituto Federal da Bahia (IFBa) e a Coordenao de Apoio e Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior (CAPES).

  • V I C o n gr es s o N a c i o n a l d e E n g e n har i a M e c n i c a , 18 a 2 1 de A g o s t o 2 0 10 , C am pi n a G r a n d e - P ar a b a

    7. REFERNCIAS

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    8. DIREITOS AUTORAIS Os autores so os nicos responsveis pelo contedo do material impresso includos no seu trabalho.

    SMALL AND LOW COST REFRIGERATION SYSTEM WITH JET OF VAPOR COMPRESSION, INTERMITTENT

    Luiz Carlos Pereira Vargas, Instituto Federal da Bahia, IFBA Cleiton Rubens Formiga Barbosa, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN. Francisco de Assis de Oliveira Fontes, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN.

    ABSTRACT: The use of waste heat reject thermal equipment conversion of energy to produce cold is a very interesting way of

    improving the efficiency of energy systems. This research aims to build a vapor jet compression refrigeration equipment (ejector) low cost and small size for experimental verification of the characteristics of the cooling system with use of a heat source. Initially, we performed a literature review on the technology of refrigeration by jet-compression. In the following we investigate the design of the main element of the proposed cooling system, the ejector. The empirical methodology used in calculating the ejector is available in the literature. With the help of the software EES (Engineering Equation Solver) were studied (simulations) for different synthetic refrigerants. The fluid R141b presented the thermodynamic properties and transport necessary for the effective operation of the proposed system. Based on the results of the simulation was selected refrigerant and developed a bench trial of the proposed cooling system, where pressure sensors and temperature were placed at strategic points of the prototype cooling and connected to a system of computerized data acquisition for measuring properties of the refrigerant in the thermodynamic cycle. The results show good agreement with those found in the literature . Keywords: ejector, waste heat, cooling ejector, refrigeration cycle intermittent.

    The authors are the only responsible for the printed material included in this paper.