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ANÁLISE DE SENSIBILIDADE EM UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO ÁGUA-AMÔNIA


Joel Carlos Zukowski Jr

Faculdade de Engenharia Agrícola, Centro Universitário Luterano de Palmas. TO.

CEP 77000-000 Palmas-TO tel: (063) 223-2055 fax: (063) 223-2091




Luís Augusto Barbosa Cortez


Departamento de Construções Rurais, Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP.

CEP 13 Campinas-SP tel: (019) 788-1033 fax: (019) 788-1010



Luís Ernesto Brossard Peres


Univerrsidad de oriente, Santiago de Cuba - Cuba



RESUMO
No HC-UNICAMP encontra-se instalado um sistema de refrigeração por absorção de fabricação MADEF S.A.. Nestes sistemas conhecer como cada parâmetro de operação influencia a eficiência exergética é muito importante. Alguns parâmetros de operação foram estudados: a pressão (temperatura) de condensação do vapor que entra no gerador, a vazão de água no condensador evaporativo, a vazão de água de formação de gelo, no evaporador e o tempo de ciclo de formação de gelo. Estes parâmetros influenciam significativamente a eficiência exergética deste tipo de sistema. O presente trabalho pretende mostrar, para o caso em questão, dentro da faixa de operação estudada, como estes parâmetros influenciam a eficiência exergética através do panejamento experimental de 2 níveis. Os resultados obtidos mostram, também que as interações deste parâmetros com outros em estudo também são importantes.

ABSTRACT

At UNICAMP Hospital there is an installation of an absorption refrigeration system for ice production. In these systems, it is important to know how each operation parameter influences the exergetic efficiency. Some operation parameters were studied: the pressure (temperature) of condensation of the vapor that enters in the generator, the flow of water in the evaporative condenser, the flow of water to ice formation, in the evaporador, and the time of cycle of ice formation. The present work intends to show, for this case and for the range of studied operation, how these parameters may influence the exergetic efficiency through the two levels experimental design. The obtained results show, also that the interactions of this parameters with others in study are also important.


INTRODUÇÃO
Nas regiões onde clima brasileiro apresenta valores médios de temperatura ambiente altos o ano todo e variações muito grandes de umidade relativa a necessidade de ambiente controlado para conservação da produção agrícola, principalmente de frutas e hortaliças, é fundamental.

A utilização de sistemas de refrigeração por absorção pode ser mais interessante que a utilização de sistemas de refrigeração por compressão em propriedades rurais desprovidas ou com baixa oferta de energia elétrica. As propriedades rurais brasileiras, bem como de outros países em desenvolvimento, em sua maioria não são providas de energia elétrica e os sistemas de refrigeração por absorção, não são grandes consumidores desta fonte de energia.

A temperatura no gerador é fator muito importante na operação adequada dos sistemas de refrigeração por absorção. Para verificar o quanto as variações neste parâmetro afeta a eficiência exergética utilizou-se um planejamento experimental de dois níveis, definido mais adiante.

A metodologia adotada mostrou que dentre os parâmetros de operação estudados a pressão do vapor de água que entra no gerador (que controla sua temperatura de operação, logo tem-se um trocador de calor operando à temperatura constante), bem como sua interação com outros parâmetros, influencia significativamente a eficiência exergética.




PRODUÇÃO E PERDAS DE FRUTAS E HORTALIÇAS

A diminuição da disponibilidade de alimentos é um problema que se agrava com a expansão da população mundial. O problema do desequilíbrio entre a população e a quantidade de alimento disponível, pode ser reduzido seja pelo aumento no suprimento de alimentos, seja pela limitação do crescimento da população. Essas soluções, porém, são drásticas e requerem uma quantidade considerável de capital e de tempo para que os objetivos sejam atingidos. Uma terceira opção, mais viável, seria a redução nas perdas que ocorrem nas diferentes etapas da obtenção dos alimentos, desde a produção até a comercialização e consumo (Chitarra & Chitarra, 1990).

O estado do Tocantins caracteriza-se pelo seu potencial agrícola. Conta com 16 milhões de hectares de áreas agricultáveis, excepcionais condições de clima e solo, um milhão de hectares para irrigação por inundação, mais um milhão de hectares para irrigação de superfície. Apresenta condições excepcionais para a produção de grãos, algodão, fruticultura, piscicultura e silvicultura. Conta, ainda com uma rede hidrográfica privilegiada a chamada Araguaia/Tocantins (Manduca, 1999).

A produção de frutas no estado é apresentada na tabela 1.

Tabela 1 – Produção de frutas no estado do Tocantins (Manduca, 1999)


Produtos

Produção (ton)

Redimento (ha)

Abacaxi

28.511

21.534

Banana

3.844

620

Laranja

19.200

60.000

Manga

5.900

19.667

Fonte: IBGE - SAFRA 1998/99

Da tabela 1 verifica-se que o estado do Tocantins apresenta uma produção de frutas considerável. No caso do abacaxi pérola, é considerado o maior produtor nacional atendendo também o mercado externo. Desta produção uma parcela considerável se perde por falta de tratamento pós-colheita adequado.

Neves Fo (1992) discute este problema e apresenta, na tabela 4, as perdas de algumas frutas ocorridas no Brasil. Dentre as causa apontadas por ele estão: amadurecimento precoce, falta de tratamento pré o pós-colheita. Em média as perdas chegam a 40%, o que representa um total de aproximadamente 3 bilhões de dólares por ano. Uma redução de 50% nestas perdas representa uma economia de 1,5 bilhões de dólares anuais.

Tabela 2- Perdas aproximadas de frutas a nível nacional (NEVES Fo, 1992)



Produto

% Produção

Abacate

40

Abacaxi

30

Banana

40

Caju

40

Laranja

15

Uva

20

Maçã

10/15

Papaya

40/60

Manga

40/50

Não se tem, ainda, valores de quanto se produz e se perde da produção de frutas e hortaliças. Para se verificar a gravidade da situação basta citar que hortaliças são vendidos nos postos de venda a consumidor em consignação. Segundo pesquisa realizada pelo autor, as perdas nos maiores mercados, que dispõem de ambiente controlado para armazenamento de seus produtos, podem chegar, considerando desde o produtor, a 30% ou mais.



CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DO CICLO DE ABSORÇÃO

O sistema em estudo está instalado no HC-UNICAMP e é descrito detalhadamente por Zukowski Jr., (1999). Os balanços de massa e energia para cada componente do sistema foram definidos por Cortez, et al. (1997).

Para uma avaliação de segunda lei utilizou-se a equação (1) para eficiência exergética definida por Kotas (1988). Esta é a relação entre a exergia útil e a exergia que entra no sistema chamada por ele de eficiência racional:

(1)

Pode-se considerar também para cálculo da eficiência exergética os fluxos de exergia referentes ao trabalho realizado pela bomba de solução e outros equipamentos acessórios (ventilador e bomba d'água do condensador evaporativo (CE) e a bomba d'água do gerador de gelo). Assim a equação (1) pode ser reescrita:



(2)

A equação (2) foi utilizada para cálculo da eficiência exergética.



PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL FATORIAL DE DOIS NÍVEIS
O planejamento fatorial de dois níveis é construído de forma simples. Barros Neto et al., (1995) mostra como definir um planejamento fatorial de dois níveis.

Para garantir que o modelo a ser obtido seja preditivo e para que os dados sejam estatisticamente válidos é necessário que estes experimentos sejam executados de forma aleatória (Barros Neto et. al., 1995). Para tanto foi feito um sorteio da ordem em que cada experimento será executado.

Dentre os parâmetros de operação do sistema os estudados foram: vazão de água de formação de gelo, vazão de água da torre de resfriamento evaporativo, pressão do vapor de água que entra no gerador, tempo de ciclo por serem independentes. Todos os outros parâmetros, tais como pressão na coluna, pressão de condensação, etc. dependem destes.. Outras duas variáveis considerada foram temperaturas de bulbo seco e úmido, mas como não puderam ser controladas não fizeram parte do modelo, foram monitoradas e analisadas.

Um planejamento experimental de 4 variáveis resulta em dezesseis experimentos. Adicionando-se 4 experimentos no ponto central para determinar o erro puro perfazem um total de 20 experimentos. A tabela 2 mostra os níveis para cada parâmetro em que cada experimentos foi realizado

O planejamento experimental adotado é apresentado na tabela 3, abaixo.

Os experimentos definidos na tabela 3 foram realizados de forma aleatória e em diferentes horários do dia.

A vazão no condensador é limitada por fatores físicos. O valor de projeto é de 8m3/h. Foram instalados tubos de PVC de 2”. Esta nova instalação hidráulica na torre possibilitou maiores vazões de água. O rotâmetro instalado na linha de água pode medir, a 22oC, de 1 a 10m3/h. Atualmente é possível se definir vazões maiores que 10 m3/h, mas seria necessário substituir o rotâmetro. Este equipamento apresenta um custo relativamente alto (cerca de US$ 1200,00).

A vazão no evaporador também apresenta limitações físicas. Deseja-se que o fluxo de água escorra pelas paredes dos tubos anulares que formam o evaporador. A água é aspergida por orifícios de aproximadamente 1,5mm. Para vazões superiores a 2,0m3/h, ao bater na parede do evaporador, uma parte considerável da água aspergida será refletida e escorrerá pelas paredes externas que envolvem o evaporador não produzindo gelo.

Tabela 3 – Níveis utilizados no planejamento experimental para determinar quais das variáveis em questão mais influenciam a eficiência exergética, o COP e a quantidade de gelo produzida pelo sistema em estudo.


Variável

Nome

-1

0

+1

F1

Vazão água condensador (l/h)

7000

8000

9000

F2

Vazão água evaporador (l/h)

1000

1250

1500

F3

Pressão do vapor de água (kgf/cm2)

1,5 (147kPa)

2,0 (196kPa)

2,5 (245kPa)

F4

Tempo do ciclo (min)

10

15

20

Tabela 4 - Planejamento experimental utilizado para obtenção da função objetivo e otimização do sistema em estudo.



Ensaios

F1

F2

F3

F4

1

1

1

1

1

2

1

1

1

-1

3

1

1

-1

1

4

1

1

-1

-1

5

1

-1

1

1

6

1

-1

1

-1

7

1

-1

-1

1

8

1

-1

-1

-1

9

-1

1

1

1

10

-1

1

1

-1

11

-1

1

-1

1

12

-1

1

-1

-1

13

-1

-1

1

1

14

-1

-1

1

-1

15

-1

-1

-1

1

16

-1

-1

-1

-1

17 (C)

0

0

0

0

18 (C)

0

0

0

0

19 (C)

0

0

0

0

20 (C)

0

0

0

0

Indica ponto central

A pressão do vapor de água no gerador apresenta limitações físicas. A primeira é a pressão máxima disponível que é de aproximadamente 6,0kgf/cm2 (589kPa), a segunda é que se a pressão do vapor for muito alta a temperatura no interior da coluna será bastante elevada e consequentemente a pressão de trabalho será também elevada. Por questão de segurança pressões acima de 16bar devem ser evitadas. Com temperaturas de saída de amônia da coluna superiores a 45oC a quantidade de água arrastada pela amônia aumenta, assim como para temperaturas muito baixas de operação da coluna (resultado de pressões muito baixas).

Com relação ao tempo de ciclo a limitação física é a espessura do gelo formado. Para tempos de formação de gelo maiores que 30min a espessura fica tão grande (acima de 10mm) que o britador não pode quebrá-lo sem comprometer a integridade dos tubos que interligam o evaporador ao separador de líquido.

RESULTADOS

Os resultados para os experimentos está apresentado na tabela 4.

Tabela 5 – Resultados médios obtidos para eficiência exergética .


Ensaios

(0,6)

(%)

1

12,0

2

9,0

3

10,0

4

10,0

5

11,0

6

4,0

7

10,0

8

11,0

9

10,0

10

11,0

11

11,0

12

6,0

13

9,0

14

9,0

15

3,0

16

2,0

17

9,0

18

8,0

19

7,5

20

8,5

Com estes resultado, utilizando-se o programa STATISTICA, obtém-se os valores dos efeitos de cada parâmetro sobre .

Os efeitos obtidos são: dos parâmetros individualmente, das interações entre eles de segunda, terceira e quarta ordem. Quase a totalidade dos processo reais não apresentam interações de quarta ordem. Em muitos casos as interações de terceira ordem também não estão presentes (conforme discutido anteriormente), mas para se ter certeza é necessário realizar os testes de significância estatística para estas interações.

A eficiência exergética () é a função termodinâmica que mostra de forma mais adequada quanto da energia disponível para realizar trabalho (exergia) foi transformada em trabalho e quanto dela se perdeu, sendo destruída. Neste trabalho considerou-se esta função de primordial importância na avaliação e otimização dos sistema térmico em estudo.

Assim como para os casos anteriores efetuar-se-á a análise da influência dos parâmetros em estudo na eficiência exergética (). Para tanto é necessário determinar quais parâmetros realmente apresentam influência estatisticamente significativa ao nível de significância de 5%.
Na figura 1 pode-se verificar que influenciam a eficiência exergética os efeitos principais, de interação binárias e ternárias. Somente não se mostraram estatisticamente significativos os efeitos de interação entre as variáveis F1-F4, F2-F3 e F2-F4, F3-F4 e F1*F2*F4. O grau de significância estatística adotada foi de 5%.

Figura 1 – Gráfico de Pareto, indicando os efeitos padronizados para a eficiência exergética ().

Do gráfico de Pareto (Figura 2) verifica-se que os efeitos mais importantes são a vazão no evaporador, e a interação entre a vazão no condensador e a pressão do vapor de água no gerador. As interações entre as variáveis F1*F3*F4 (Vazão de água no condensador, pressão de vapor no gerador e tempo de ciclo) mostraram-se muito importantes. Com efeitos de mesmo valor estão a vazão no condensador e as interações entre as variáveis F1*F2*F3 (Vazão de água no condensador, vazão de água no evaporador e pressão de vapor no gerador). A interação de terceira ordem F2*F3*F4 (vazão de água no evaporador, pressão de vapor no gerador e tempo de ciclo). Também mostrou-se significativa a pressão do vapor no gerador e o tempo de ciclo. Das interações de segunda ordem somente mostrou-se estatisticamente significativa a interação entre a vazão no condensador e a vazão no evaporador (F1 por F2).

O parâmetro que apresenta maior influência nesta eficiência, em valores absolutos, é a vazão de água de formação de gelo no evaporador. Mas a iteração entre a pressão de vapor no gerador e a vazão de água no condensador evaporativo tem um efeito no valor da eficiência exergética.

Deve-se ressaltar as interações entre os parâmetros estudados apresentam, juntas, maior influência que estes parâmetros isoladamente.

Muitos autores tem utilizado a análise univariável, onde se varia somente um parâmetros fixando-se os valores dos demais. Destes resultado verifica-se que, em se tratando de sistemas complexos como este, esta metodologia não é apropriada, podendo conduzir a conclusões equivocadas.

A metodologia univariável não prevê a possibilidade de análise da influência das interações entre as variáveis estudadas na eficiência exergética outra função qualquer onde se tenha mais de uma variável relacionada.


CONCLUSÕES
Do presente trabalho se conclui que:

As interações entre os parâmetros de operação em sistemas complexos como os sistemas de refrigeração por absorção são tão, ou mais importantes na determinação dos valores da eficiência exergética deste tipo de sistema.

A metodologia de planejamento experimental é uma ferramenta que pode ser utilizada para otimização experimental de sistemas de refrigeração por absorção bem como de outros sistemas térmicos.

A análise univariável, normalmente utilizada para este tipo de análise não é adequada para se avaliar a influência dos parâmetros de operação sobre a eficiência exergética de um sistema pois ela não contempla, ou não mostra a influencia das interações entre os parâmetros de operação deste sistema.



PALAVRAS CHAVES:
exergia, eficiência exergética, refrigeração por absorção, água-amônia.
BIBLIOGRAFIA
[1] CHITARRA, M. I. F., CHITARRA, A. B., Pós-colheita de frutos e hortaliças. Lavras: ESAL/FAEPE, 320p., 1990

[2] MANDUCA, J. Globalização e a agricultura tocantinense: Tendências e oportunidades. Palestra técnica apresentada no ILES-PALMAS/ULBRA em 28 de outubro de 1999. Palmas TO.

[3] NEVES Fo, L. C. Refrigeração na industria de alimentos. Campinas: UNICAMP, 1992, Vol. I, 359p. [Apostila]

[4] BARROS NETO, B. de, Scarminio, I. S., Bruns, R. E. Planejamento e Otimização de Experimentos. Campinas: UNICAMP, 1995,299 p.

[5] ZUKOWSKI Jr., J.C Estudo de Sensibilidade em um Sistema de Refrigeração Por Absorção Água-Amônia. UNICAMP, 1996. [Tese de doutorado]

[6] CORTEZ, L.A.B., LARSON D. L., SILVA A da Energy and Exergy Evaluation of Ice Production by Absorption Refrigeration. Transactions of The ASAE, v. 40, n. 2, p. 395-403, 1997.



[7] KOTAS,T.J. The Exergy Method of Thermal Analysis. Great Britain. 1985, p. 29-51,99-137.

AGRADECIMENTOS
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP pelo apoio financeira, ao Centro Universitário Luterano de Palmas - CULP/ ULBRA e a todos que de alguma forma contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.


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