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.

Abstract: This study proposes a dimensionless transient mathematical model to predict the behavior of the main components of an absorption refrigeration prototype depending on operating and geometric parameters to be used in control and optimization studies. The model assumes uniform properties, the transients associated with the filling system are neglected and two regions of the refrigeration cycle are considered: one of the solution (thermal compressor) and a refrigerant (condenser, expansion valve and evaporator). The application of the mass and energy laws of conservation combined aided by empirical correlations used to calculate the thermodynamic properties resulted in a system of differential equations as a function of time for the refrigerant side and a system of nonlinear algebraic equations for the model side solution. When numerically integrated the system of differential equations determines the time evolution for the temperature of the condenser, evaporator and refrigerated space. It also drives the thermal compressor to march in time resulting in a composition and temperature profiles for the generator, absorber and rectifier. In order to the model to be reliable two sets of experimental data from a absorption refrigeration prototype were used in the parameter setting and experimental validation which indicate qualitative and quantitative agreement. With the experimentally validated model studies were conducted to evaluate the influence of operating parameters (heat exchange capacity) to seek a geometric configuration which maximizes the coefficient of performance (COP) and minimize the time of lowering the temperature of the refrigerated space under the constraint total fixed area. The numerical simulations results indicate that values which lead an more efficient operation of the refrigerator were 0.5 for the thermal exchange capacity of the rectifier and above 2 for the absorber. The geometrical configuration studies indicate that allocating approximately 17% of the total area in the evaporator the performance of the refrigerator would be better than the one obtained experimentally, increasing 6% the COP and decreasing the time of lowering the temperature in the refrigerated space in 20 %, compared to the experimental system used in this study. Due to the character of the dimensionless model, all results obtained in this work are normalized and represent the behavior of any refrigerator with physical and functional characteristics similar to those of the analyzed system. Thus, by combining the calculation of the behavior of the main components of an absorption refrigerator with low computational time, it is expected that the proposed mathematical model can be used as a tool for design, control and optimization.