Modelagem matemática quasi-permanente e simulação de componentes de refrigeradores por absorção

Abstract

Resumo: A atual e crescente demanda por fontes de energia associadas ao uso, cada vez mais significa-tivo, de equipamentos de refrigeração e HVAC na sociedade atual fazem com que os sistemas de refrigeração por absorção sejam uma excelente alternativa para a minimização deste pro-blema. Além disso, o uso destes equipamentos se torna energeticamente viável quando com-parado aos tradicionais sistemas de refrigeração por compressão de vapor, uma vez que são possíveis de serem operados com calor residual no gerador como fonte de energia, mesmo que seu desempenho operacional seja menor. Dessa forma, com o intuito de tornar os refrigerado-res por absorção, cada vez mais, comercialmente competitivos, tanto econômica quanto ter-modinamicamente, esta Dissertação apresenta uma modelagem matemática quasi-permanente e simulação numérica dos principais componentes de um sistema de refrigeração por absor-ção. Para isso, as equações matemáticas do modelo foram baseadas na aplicação dos princí-pios de conservação de massa e energia em regime transiente para os componentes gerador, retificador e absorvedor, bem como em regime permanente para o condensador e para o eva-porador. Cada componente foi modelado como um simples volume de controle, exceto o ge-rador e o retificador que foram divididos, respectivamente, em três e dois volumes de contro-le, para que fosse possível analisar, individualmente, os estágios de equilíbrio de líquido e vapor da solução de amônia e água que se encontra presente nestes componentes. Com o mo-delo matemático desenvolvido, foi elaborado um código computacional em linguagem For-tran® 95 que permitiu a obtenção de respostas, em caráter numérico, de características térmi-cas e mássicas dos componentes, em análise, do refrigerador. O modelo matemático resultou em um sistema de equações diferenciais ordinárias (EDO's) que foi resolvido através da inte-gração no tempo com o auxílio do método de Runge-Kutta-Fehlberg de 4ª/5ª ordem e intera-gindo, simultaneamente, com equações algébricas de vazões mássicas. Como resultado, esta Dissertação apresenta (i) os perfis de temperatura e de frações mássicas de amônia líquida dos componentes gerador e retificador; (ii) os perfis de concentração dos principais constituintes químicos que fazem parte da reação que ocorre no componente absorvedor; (iii) as quantida-des de calor trocadas nos componentes condensador e evaporador; e (iv) o cálculo do COP do sistema (COP = 0,47). 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, futuramente, otimização dos principais componentes de um sistema de refrigeração por absorção em regime quasi-permanente. Palavras-Chave: Modelagem Matemática, Sistemas de Refrigeração por Absorção, Modelagem quasi-Permanente e Simulação Numérica.

Abstract: The current and increasing demand by energy and the increasingly significant use of refrigera-tion and HVAC-R equipment in the world society make the use of absorption refrigerators an excellent alternative to minimize this problem. In addition, the use of this equipment becomes energy-efficient when compared to the vapor compression refrigeration cycles because it is possible to operate with residual heat in the generator as an energy source, even if its perfor-mance is lower. Thus, in order to make absorption refrigerators increasingly commercially competitive, both economically and thermodynamically, this Dissertation presents a quasi-steady mathematical modeling and numerical simulation of the main components of an ab-sorption refrigeration system. For this, the mathematical equations of the model were based on the application of the conservation of mass and energy principles in transient regime for the generator, rectifier and absorber components, as well as in permanent regime for the con-denser and for the evaporator. Each component was modeled as a simple control volume, ex-cept the generator and rectifier, which were divided, respectively, into three and two control volumes, so that it was possible to individually analyze the liquid and vapor equilibrium stag-es of the ammonia and water solution that is present in these components. With the developed mathematical model, a computational code was elaborated in Fortran® 95 language that al-lowed obtaining numerical responses of thermal and mass characteristics of the components, in analysis, of the refrigerator. The mathematical model resulted in an ordinary differential equations (ODE) system that was solved through time integration with the help of the 4th/5th order Runge-Kutta-Fehlberg method and interacting, simultaneously, with algebraic mass flow equations. As a result, this Dissertation presents (i) the temperature and liquid ammonia mass fraction profiles of the generator and rectifier components; (ii) the concentration profiles of the main chemical constituents that are part of the reaction that occurs in the absorber com-ponent; (iii) the amounts of heat exchanged in the condenser and evaporator components; and (iv) the calculation of the system COP (COP = 0.47). In this way, it is possible to conclude that the proposed mathematical model can be used as a useful tool for the simulation in differ-ent conditions of operation, control and, in the future, optimization of the main components of a quasi-steady absorption refrigeration system. Key-Words: Mathematical Modeling, Absorption Refrigeration Systems, quasi-Steady Modeling and Numerical Simulation.