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CHARLES ATANAEL COLOMBO
MÉTODO DE PREVISÃO DA CAPACIDADE MÍNIMA DO ACUMULADOR
TÉRMICO E DO TROCADOR DE CALOR INTERMEDIÁRIO
PARA TERMOACUMULAÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado do Curso de Engenharia de Produção Mecânica da Universidade do Oeste de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do grau de Engenheiro de Produção Mecânica.
Aprovado em
BANCA EXAMINADORA
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Prof. Marcelo Guillaumon Emmel Universidade do Oeste de Santa Catarina – UNOESC
Prof. Marcellus Tiburcio Fontenelle Universidade do Oeste de Santa Catarina – UNOESC
Prof. Gilson Jose Rodrigues Universidade do Oeste de Santa Catarina – UNOESC
MÉTODO DE PREVISÃO DA CAPACIDADE MÍNIMA DO ACUMULADOR
TÉRMICO E DO TROCADOR DE CALOR INTERMEDIÁRIO
PARA TERMOACUMULAÇÃO
COLOMBO, Charles Atanael^1 EMMEL, Marcelo Guillaumon^2
RESUMO
A busca pela eficiência nos processos de climatização, num período recente, proporcionou o aprimoramento de sistemas que permitem gerir melhor o consumo de energia. O destaque para sistemas termoacumulativos, a base de água ou gelo, em ambientes com alta carga térmica, possibilitam um melhor desempenho do sistema de climatização. O desenvolvimento do sistema termoacumulativo também vem de encontro as tratativas internacionais de eliminação da utilização industrial de fluidos CFC´s e HCFC´s, pois ele possibilita a utilização do fluido mais abundante no planeta, a água, como fluido armazenador e transportador de carga. A previsão de volume de armazenagem, as qualidades e deficiências do sistema requerem tempo e conhecimento do projetista. O desenvolvimento do relatórios a seguir apresenta de forma simples e pratica as opções disponíveis, bem como suas características básicas e o desenvolvimento matemáticos, para uma seleção apropriada dos equipamentos, como o trocados de calor intermediário, entre o sistema primário e secundário, o termoacumulador e do tanque de armazenagem de gelo ou água gelada.
Palavras-chave: Termoacumulação, trocador de calor intermediário, tanque de armazenagem, eficiência.
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de ampla eficiência energética de um sistema de climatização é dependente da seleção correta dos equipamentos que o compõe. Muitas variáveis devem ser observadas e analisadas para detalhar a base de dados dos para caracterizar melhor os componentes e equipamentos, apropriados na unidade em questão. Para os casos de climatização de ambientes com sistemas secundários, há um contingente maior de equipamentos e componentes envolvidos na casa de máquinas, em
(^1) Acadêmico do curso de Engenharia de Produção Mecânica - UNOESC, [email protected] (^2) Professor orientador do curso de Engenharia de Produção Mecânica - UNOESC, [email protected]
Medeiros, Barbosa e Fontes (2010, p. 77) complementam que o fluido secundário de refrigeração deve apresentar algumas características como alto calor específico, boa condutividade térmica, não ser tóxico, ser inerte quimicamente, ter boa disponibilidade e preço razoável, características estas disponíveis na água, que quando misturada a anticongelantes miscíveis, propiciam uma redução no seu ponto de congelamento. Conforme Ticona (2007, p. 20), a utilização do sistema secundário propicia a redução da quantidade de fluido primário e aumenta a segurança de operação, posto que o referido circuito é menor. Podem ser citados dentre os sistemas secundários de climatização, o sistema de termo acumulação que é uma ferramenta que ajuda a gerir o consumo de energia, e até mesmo transferi-lo para fora dos horários de ponta. Desta forma, uma grande carga térmica pode ser dissipada pela acumulação de gelo ou água gelada produzida e armazenada em um tanque intermediário (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, 2010, p. 101). O Esquema 1 representa os sistema de refrigeração secundário e o termoacumulativo.
Esquema 1- Refrigeração de expansão-indireta comparado ao de Termoacumulação
Fonte: (TICONA, 2007)
A NBR 6401 (1980, p. 14) designa que o projeto deve conter especificações gerais do equipamento a ser fornecido, indicando as suas condições de funcionamento e capacidade, que deve ser igual ou superior aos valores das cargas térmicas. E para as centrais frigoríficas, que alimentam vários setores, esta deve ter capacidade para atender simultaneamente a todos os setores.
2.2 CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA DE TERMOACUMULAÇÃO
O sistema de termoacumulação é aplicável quando é necessário racionalizar energia, e se dispõe de tempo para armazenar carga, ele representa ainda, menor custo inicial. Basicamente trata-se de um sistema capaz de transferir no tempo a carga elétrica consumida para climatizar determinado local, pois se pode produzir frio e armazená-lo em um tanque durante determinado período de tempo, onde a demanda elétrica é menor , até o momento quer ocorra a necessidade de refrigerar o ambiente (TICONA, 2007, p. 26). Alguns detalhes que devem ser observados, referente ao sistema, é a variação de temperatura de suprimento e retorno que não deve exceder 11 ºC. Para facilitar a operação dos trocadores de calor, as válvulas de controle de temperatura devem ser selecionadas de forma mais rigorosa, caso contrário o super dimensionamento poderá ser desastroso. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, 2010, p. 93)
2.3 OS FLUIDOS REFRIGERANTES UTILIZADOS
Ticona (2007, p. 19) relata a existência da normatização em relação à utilização e descarte de refrigerantes que destroem a camada de ozônio, desta forma a indústria voltou o seu olhar para os fluidos utilizados antes do desenvolvimento dos CFCs, dos quais se destacam os naturais como o ar, a água, a amônia, os hidrocarbonetos e o dióxido de carbono. Para Almeida, Silva e Silva (2010), o desenvolvimento do uso de fluidos naturais não está associado somente à preservação do meio ambiente, mas também ao desenvolvimento da eficiência energética dos equipamentos. Segundo Ticona (2007, p. 19), há novas tecnologias em desenvolvimento de fluidos secundários como a Pasta de Gelo, que tem como propósito de alta performance de resfriamento requerida, ter maior capacidade térmica devido ao calor latente na troca de fase dos cristais de gelo. Potter e Wiggert (2004, p, 118) descrevem que a equação da energia é utilizada para definir o trabalho feito ou o calor transferido a um objeto. Por tanto, taxa de remoção de calor é definida pela capacidade que o fluido tem de absorvê-lo, valor que pode ser alterado devido a variação da temperatura de entrada e saída dos elementos evaporadores. A Equação 1 permite identificar a quantidade de calor (Q) recebida ou perdida por um corpo, de massa (m), constituído por um material de calor específico (c) quando há uma variação de temperatura (DT).(GASPAR, 2010, p. 336).
𝑄 = 𝑚. 𝑐. 𝐷𝑇 Equação 1
carga do sistema o fluido circula a -4 ºC e congela o tanque, e no período de descarga a solução passa pelos evaporadores e derrete o gelo para perder o calor. Mais detalhes construtivos podem ser vistos no Esquema 2. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, 2010, p. 90).
Esquema 2. Sistema de termoacumulação com banco de gelo e com água.
Fonte: UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ (2010).
Além de armazenar carga com água ou gelo, o sistema pode operar como acumulador parcial ou total. No caso de acumulador parcial, durante o tempo em que não ocorre a refrigeração do ambiente, ele armazena carga em forma de gelo ou água gelada, e mesmo durante o processo de refrigeração do ambiente o Chiller continua operando. No segundo caso, a cumulação total deve-se ao fato do Chiller parar de operar durante o período de refrigeração do ambiente, assim toda a carga de refrigeração deve estar armazenada, em forma de gelo ou água gelada.. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, 2010, p. 102). Para um sistema eficiente, as variações de carga térmica que ocorrem no dia, e até mesmo no ano, precisam ser bem especificadas, pois as condições drásticas de verão devem ser absorvidas, já que é a média dessa carga que define a capacidade máxima de armazenagem que é pré-definida no projeto, para suprir a demanda por um período de tempo estabelecido.
2.5.1 Capacidade termoacumulativa do gelo e da água
A capacidade de armazenagem de frio pelo método do banco de gelo é variável pela massa armazenada. Gaspar (2010, p. 352) descreve que existe a relação entre a quantidade de calor transferido (Q) e a massa (m) que mudou de fase. Essa constante é denominada como calor latente (L), definida pela Equação 4.
𝐿 = (^) 𝑚𝑄 Equação 4 O valor para L é variável dependente do material analisado e da mudança de fase que ocorre, o da água para solidificação ou fusão é de 80 kcal/kg, enquanto para liquefação ou vaporização é de 540 kcal/kg. Para a água é adotado o valor de 1 kcal/kg.ºC (GASPAR, 2010, p.353). Por apresentar estrutura cristalina o gelo apresenta menor peso específico em relação à água líquida a 0 ºC, com valor aproximado de 920 kg/m³, comparado a 1000 kg/m³ da água.(GASPAR, 2012, p. 294).
2.6 ARMAZENAGEM COM ÁGUA GELADA.
O sistema de acumulação por água gelada, pode ser uma alternativa praticada embora apresente algumas limitações referente a capacidade de armazenamento. Porém, ele apresenta vantagens como, o trocador de calor intermediário não precisar de duplo set point, ter consumo elétrico e global 10% menor que o banco de gelo e a tanque de água pode ser utilizado como sprinkler, para combate a incêndio. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, 2010, p. 100). Apesar de simples, o cálculo do volume do tanque de armazenagem do frio, deve ser precedido de um perfil de carga térmica, típico diário bem definido, pois ele permitirá a adequação do projeto mais próximo possível do real. Desse perfil de carga são encontradas informações importantes como a carga máxima prevista, o número de horas de operação do sistema, as cargas térmicas que devem ser deslocadas e armazenadas e a capacidade mínima do sistema. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, 2010, p. 102).
3 METODOLOGIA
QUADRO 1. Disposição dos Valores da Carga Térmica Durante o Dia Tempo que o sistema fica inoperante Horas Fluido Secundário Temperatura desejada para o ambiente ºC Horário 00:00^ 01:00^ 02:00^ 03:00^ 04:00^ 05:00^ 06:00^ 07:00^ 08:00^ 09:00^ 10:00^ 11: Carga Térmica (TR) Horário 12:00^ 13:00^ 14:00^ 15:00^ 16:00^ 17:00^ 18:00^ 19:00^ 20:00^ 21:00^ 22:00^ 23: Carga Térmica (TR) Carga Térmica Total (TR) Fonte: os autores.
4.2 DEFINIÇÃO DOS VALORES PARA ARMAZENAGEM DE FRIO
Para definir a capacidade mínima do trocador de calor se torna necessário saber quantas horas por dia o sistema acumula frio, quantas horas ele consome frio, bem como a carga térmica a ser removida. O Chiller tem seu valor definido pela equação 2, onde a CTTR é a carga total, o NFF é o número de horas fazendo gelo e NHR é o numero de horas refrigerando. No caso de armazenagem total, a variável NHR, passa a ter valor 0 (zero), pois durante o período de refrigeração, o Chiller para de operar, assim simplifica-se a equação inicial e obtemos a Equação 5.
𝐶ℎ𝑖𝑙𝑙𝑒𝑟 = 𝐶𝑇𝑇𝑅𝑁𝐹𝐹 Equação 5
A definição da capacidade do Chiller para armazenagem parcial de frio, apresenta valores significativos para NHR, pois nele continua ocorrendo a troca de calor durante a refrigeração do ambiente. Sendo assim, a Equação 2 passa a ser utilizada integralmente.
4.2.1 Definição do Volume do Tanque de Armazenagem total de frio
O volume armazenado define a capacidade global do sistema, pois ele desempenha a função de equalizar o consumo de carga térmica de calor em horários que o custo de produção de frio se eleva.
Assim, é necessário definir o seu volume estocado através da adaptação da Equação 1 para o determinado caso, que resulta na Equação 6 para definir a massa armazenada. A Equação 7 define o volume armazenado.
𝑚 = 𝑄𝑇𝑇 𝐿 Equação 6
𝑉 = 𝑚𝜌 Equação 7
A carga térmica total (QTT) em kcal, é definida através da Equação 8, onde a massa específica (ρg) do gelo é 920 kg/m³, sendo possível definir o volume (V) em m³ do tanque de armazenagem através da Equação 9.
𝑄𝑇𝑇 = 𝐶𝑇𝑇𝑅. 3024𝑘𝑐𝑎𝑙/ℎ Equação 8
Quando se usa água como acumulador, para definição da massa usa-se a Equação 1, associada a Equação 8. O volume do tanque é definido por meio da Equação 10. Onde DT é a variação de temperatura.
𝑉𝑔 = 𝑄 𝐿.𝑇𝑇𝜌𝑔 + 𝑉𝑠𝑒𝑟𝑝𝑒𝑛𝑡𝑖𝑛𝑎 Equação 9
𝑉𝑎 = (^) 𝑐 .𝑄𝐷𝑇𝑇𝑇.𝜌𝑎 Equação 10
4.3 DEFINIÇÃO DE VALORES PARA ARMAZENAMENTO PARCIAL DE FRIO
A base teórica para o armazenamento parcial de carga é equivalente à utilizada para o armazenamento total de carga, mas deve-se observar que o Chiller continua a operar, durante a refrigeração. A variável que tem valor alterado, devido a mudança na característica de armazenagem, é a carga térmica a ser acumulada (QTP), passando a ter outra definição, conforme apresenta a Equação 11.
𝑄𝑇𝑃 = 𝐶𝑇𝑇𝑅 − 𝐶ℎ𝑖𝑙𝑙𝑒𝑟. 𝑁𝐻𝑅 .3024 Equação 11
O volume de gelo e água gelada a serem armazenados, são obtido pela Equação 9 e Equação 10 respectivamente, porém QTT será substituído por QTP.
Gráfico 1. Estimativa de eficiência de instalação devido ao pico de carga e o tempo de armazenagem.
Fonte: os autores.
O Gráfico 2 apresenta a relação porcentual existente entre a carga térmica total (CTTR), para com a capacidade mínima do trocador de calor (Chiller) para armazenagem parcial ou total, bem como o volume mínimo do tanque (em m³) para armazenagem de frio, para variados perfis de produção de frio.
Gráfico 2. Capacidade mínima do Chiller e do tanque porcentualmente relacionados a carga térmica total para armazenagem de gelo.
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
80,0%
90,0%
100,0%
110,0%
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30% 6 Horas 8 Horas 10 Horas 12 Horas 14 Horas 16 Horas 18 Horas
Percentual do pico em relação a carga térmica total
Eficiência do Chiller
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
16%
18%
20%
22%
24%
26%
28%
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Variação da capadidade do Chiller para armazenamento total Variação do volume do tanque para armazenamento total Variação da capacidade do chiller para armazenagem parcial
porcentual
de carga minima do Chiller em relação a carga térmica total
Número de horas produzindo gelo
Fonte: os autores.
No Gráfico 3 está representado a relação porcentual existente entre a carga térmica total (CTTR), para com a capacidade mínima do trocador de calor, operando com armazenagem total ou parcial, bem como o volume mínimo do tanque (em m³) para a armazenagem de frio para variados perfis de produção de água gelada com diferencial de temperatura (DT) de admissão e recalque de 10 °C.
Gráfico 3. Capacidade mínima do Chiller e do tanque porcentualmente relacionados a carga térmica total para armazenagem de água gelada.
Fonte: os autores.
4.6 DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO COMPUTACIONAL DE CÁLCULO
O método de cálculo computacional objetiva a determinação dos valores anteriormente citados, de forma rápida e segura, a partir de um software gratuito e de fácil acesso ao projetista. A descrição algorítmica através do software Scilab 5.4.1, que das dimensões quantitativas ao sistema estudado.
clear, clc, printf("Definição do tipo de armaganagem de frio."); i =input("Se for utilizado um sistema de ARMAZENAGEM TOTAL digite 1, se for ARMAZENAGEM PARCIAL digite 2: "); i2 =input("Se o armazenador for GELO digite 1, se for ÁGUA GELADA digite 2: "); printf("\nDefinição da capacidade termica minima do Chiller"); CTTR=input("Carga Térmica Total dada em TR: "); NFF=input("Nº de horas que o sistema armazena frio: ");
0,0%
2,0%
4,0%
6,0%
8,0%
10,0%
12,0%
14,0%
16,0%
18,0%
20,0%
22,0%
24,0%
26,0%
28,0%
30,0%
32,0%
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Variação da capacidade do Chiller para armazenamento total Variação do volume do tanque paraarmazenagem total Variação da capacidade do Chiller para armazenagem parcial Variação do volume do tanque para armazenagem parcial Porcentual
de carga minima do Chiller em relação a carga térmica total
Número de horas refrigerando
interior, sendo assim, pode apresentar algumas funcionalidades como agente a combate a incêndios. A armazenagem total apresenta perfil econômico quando o período de descarga for reduzido, e assim a armazenagem pode ser feita fora dos horários de ponta de consumo de energia elétrica. Outra característica, é que o pico de consumo pode ser percentualmente maior em relação a carga térmica total quando o tempo de descarga for menor. Para a armazenagem parcial, ela apresenta valores menos consideráveis referentes ao custo de instalação devido a componentes menores e menor deslocamento mássico de fluido primário. Sendo assim, apesar do sistema consumir energia durante todo de armazenagem e descarga, este apresenta menores valores para o volume do armazenador e permite operar com maior tempo de descarga sem muita alteração do perfil do tanque. Ademais, outras considerações que podem ser feitas a respeito do sistema é que o fator de carga do Chiller está diretamente ligado ao valor do pico de carga térmica que o sistema apresenta, por tanto deve-se adequar o isolamento do ambiente a ser climatizado para minimizar esse fator desfavorável a eficiência do custo de instalação dos equipamentos.
REFERÊNCIAS
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CREDER, Hélio. Instalações de Ar Condicionado. 6 ed. Rio de Janeiro:Editora LTC. 2004. 318 p.
CREDER, Hélio. Instalações Hidráulicas e Sanitárias. 5 ed. Rio de Janeiro:Editora LTC.
- 466 p.
GASPAR, Alberto. Compreendendo a Física: ondas, óptica e termodinâmica. 1. ed. São Paulo: Editora Ática. 2012. 448.
MEDEIROS, Pedro Samuel Gomes, BARBOSA, Cleiton Rubens Formiga., FONTES, Francisco de Assis Oliveira. Propriedades Termofísicas De Fluidos Secundários À Base De Álcool Para Termoacumulação. Holos - Issn 1807-1600 , Local de publicação (editar no plugin de tradução o arquivo da citação ABNT), 4, nov. 2010. Disponível em: <http://www2.ifrn.edu .br/ojs/index.php/HOLOS/article/view/413>. Acesso em: 15 Ago.
POTTER, Merle C.; WIGGERT, David C. Mecânica dos Fluidos. 3 ed. São Paulo: Editora Thomson. 2004. 689 p.
STOECKER, Wilbert F.; JABARDO, José M. Saiz. Refrigeração Industrial. 2. ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda. 2002. 371 p.
TICONA, Epifanio Mamani. Determinação Experimental das Características de Transferência de Calor de um Gerador de Pasta de Gelo. 2007. 177 f. Tese (Doutorado em engenharia Mecânica)- Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro,
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ. Climatização. Curitiba, 2010. 108 p. Disponível em :< ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM182/CLIMATIZACAO/apostila/>. Acesso em: 20 ago. 2013.
