Modelagem, simulação e otimização de refrigeradores por absorção

Abstract

Resumo: Neste trabalho é proposto um modelo matemático transiente adimensional, que permite prever o comportamento dos principais componentes de um protótipo de refrigeração por absorção em função de parâmetros de operação e geométricos para uso em estudos de otimização e controle. O modelo assume propriedades uniformes, despreza os transientes associados ao preenchimento do sistema e considera duas regiões no ciclo de refrigeração: uma constituída por solução (compressor térmico) e outra de refrigerante (condensador, válvula de expansão e evaporador). A aplicação das leis de conservação de massa e energia combinadas, auxiliadas por correlações empíricas utilizadas no cálculo das propriedades termodinâmicas, resulta num sistema equações diferenciais ordinárias em função do tempo para o lado refrigerante e um sistema de equações algébricas não lineares para o lado solução do modelo. Ao ser integrado numericamente o sistema de equações diferenciais determina a evolução das temperaturas com o tempo para o condensador, evaporador e espaço refrigerado, e conduz o compressor térmico a marchar no tempo resultando em perfis de temperatura e composição para o gerador, absorvedor e retificador. Para que o modelo tenha confiabilidade dois conjuntos de dados de um protótipo de refrigeração por absorção foram utilizados na realização dos ajustes de seus parâmetros e sua validação, indicando acordo qualitativo e quantitativo. Com o modelo validado experimentalmente foram realizados estudos para avaliar a influência de parâmetros operacionais (taxas de capacidade térmica), buscar uma configuração geométrica que maximize o coeficiente de performance (COP) e minimize o tempo de abaixamento da temperatura do espaço refrigerado, sob a restrição de área total fixa. Os resultados das simulações numéricas indicam que valores para as taxas de capacidade térmica adimensionais da água no retificador de 0,5 e no absorvedor acima de 2 levariam o refrigerador a operar de forma mais eficiente. Já os estudos de configuração geométrica indicam que a alocação de aproximadamente 17% da área total do refrigerador no evaporador levaria a um desempenho melhor em relação ao sistema experimental utilizado neste estudo, aumentando o COP em 6% e diminuindo o tempo de abaixamento da temperatura no espaço refrigerado em 20%. Devido ao caráter adimensional do modelo, todos os resultados obtidos neste trabalho são normalizados e representam o comportamento de qualquer refrigerador com características físicas e funcionais semelhantes às do sistema analisado. Assim, por combinar o cálculo do comportamento dos principais componentes de um refrigerador por absorção com baixo tempo computacional, espera-se que o modelo matemático proposto possa ser utilizado como ferramenta para projeto, controle e otimização.