Modelagem matemática, simulação e otimização da aplicação de um refrigerador por absorção de amônia

Abstract

Resumo: Atualmente muitas pesquisas têm se voltado para redução do consumo de energia elétrica bem como pela diminuição do impacto ambiental. O consumo de energia elétrica de sistemas de refrigeração representam cerca de 30% nos setores comercial, residencial e industrial no Brasil quando equiparado a outros subsetores. Com base neste cenário o sistema de refrigeração por absorção se mostra uma alternativa promissora em poder utilizar energia térmica proveniente de fontes renováveis como rejeitos térmicos. Além de utilizarem fluidos de trabalho com baixo impacto ambiental em comparação aos sistemas tradicionais de refrigeração, e com isso tornar os refrigeradores por absorção, comercialmente competitivos tanto econômico quanto termodinamicamente. Esta dissertação apresenta uma modelagem matemática de um sistema de refrigeração por absorção para simular a climatização de dois ambientes no Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável da Universidade Federal do Paraná. Para isso, o desenvolvimento das equações matemáticas do modelo foram baseadas na aplicação dos princípios de conservação de massa e energia em regime transiente para os componentes refrigerador, reservatório, fancoletes e os ambientes, onde cada da componente foi modelado como um simples volume de controle. Após o modelo matemático desenvolvido, foi elaborado um código computacional em linguagem Fortran®90 afim obter respostas em caráter numérico para cada volume de controle e assim realizar analises em funções dos parâmetros do sistema. O modelo matemático resultou em um sistema de equações diferenciais ordinárias (EDO's) que foi resolvido através da integração no tempo com o auxílio do método de Runge-Kutta-Fehlberg de 4ª/5ª ordem e interagindo, simultaneamente. Como resultados, esta dissertação resultou os perfis de temperatura dos fluidos térmicos de cada volume de controle, sendo os espaços resfriados tento temperatura de entrada, VC4 (-16 ºC) e VC6 (- 6 ºC), o tempo de resfriamento de cada ambiente visto que a maiora entrou em regime permanente após 2000s, COP para um espaço climatizado de 0,54 (COP = 0,54) e para dois espaços COP de 0,25 (COP = 0,25), e também foram realizadas otimizações em alguns parâmetros em função do coeficiente de performance, e assim avaliar a influência de demais parâmetros em função da operação do sistema pela simulação em Fortran. Dessa forma, é possível concluir que o modelo matemático proposto pode ser utilizado como uma ferramenta útil para a simulação em diferentes condições de operação, controle e, assim evitar problemas futuros na instalação do sistema em ambientes, além de realizar análises para otimizações dos principais componentes de um sistema de refrigeração por absorção.

Abstract: Currently, many types of research have focused on reducing electricity consumption as well as reducing environmental impact. The electricity consumption of refrigeration systems represents about 30% in the commercial, residential and industrial sectors in Brazil when compared to other subsectors. Based on this scenario, the absorption refrigeration system is a promising alternative in being able to use thermal energy from renewable sources as thermal waste. In addition to using working fluids with low environmental impact compared to traditional refrigeration systems, and thus making absorption refrigerators commercially competitive both economically and thermodynamically. This dissertation presents mathematical modeling of an absorption refrigeration system to simulate the air conditioning of two environments at the Research and Development Center for Self-Sustainable Energy at the Federal University of Parará. For this, the development of the mathematical equations of the model was based on the application of the principles of conservation of mass and energy in a transient regime for the components refrigerator, reservoir, fan coil, and environments, where each component was modeled as a simple control volume. After the mathematical model was developed, a computational code was developed in Fortran®90 language in order to obtain numerical answers for each control volume and thus perform analyzes in functions of the system parameters. The mathematical model resulted in a system of ordinary differential equations (ODEs) that was solved by integrating in time with the help of the Runge-Kutta- Fehlberg method of 4th/5th order and interacting, simultaneously. As a result, this dissertation resulted in the temperature profiles of the thermal fluids of each control volume, the spaces being cooled with the inlet temperature, CV4 (-16 ºC) and CV6 (- 6 ºC), the cooling time of each environment seen that the majority entered steady-state after 2000 s, COP for one airconditioned space of 0.54 (COP = 0.54) and for two spaces COP of 0.25 (COP = 0.25), and optimizations were also performed in some parameters as a function of the coefficient of performance, and thus evaluate the influence of other parameters as a function of the system's operation through the Fortran simulation. In this way, it is possible to conclude that the proposed mathematical model can be used as a useful tool for simulation in different conditions of operation, control and, thus, avoid future problems in the installation of the system in environments, in addition to performing analyzes for optimization of the main components. of an absorption refrigeration system.