simulação de sistemas de refrigeração de ambientes com

22
SIMULAÇÃO DE SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO DE
AMBIENTES COM LEITO DE PEDRA
Eduardo José Cidade Cavalcanti 1; Caio Glauco Sanchez 2
1
Centro Universitário do Sul de Minas-UNIS-MG
Instituto de Tecnologia, Engenharia e Ciências Exatas
Av. Cel. José Alves, 256, Vila Pinto. CEP: 3710-540, Varginha–MG/Brasil
e-mail: [email protected]
2
Departamento de Engenharia Térmica e Fluídos
Faculdade de Engenharia Mecânica
Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP
13083-970-C.P. 6088-Campinas–SP/Brasil
RESUMO
O Sistema de Resfriamento Regenerativo de Leito de Pedra é uma alternativa viável em relação à unidade de ar condicionado
desenvolvida na Austrália por volta dos anos 60. Seu principio operacional é a combinação do resfriador evaporativo e do trocador
de calor. Ele é composto de dois leitos de pedra usado com trocador de calor regenerativo e outro leito de pedra como resfriador
evaporativo, ambos com alta eficiência. Esse processo envolve transferência de calor entre o fluxo de ar e o leito de pedra e
transferência de umidade. Um modelo matemático foi feito para obter o projeto térmico e checar o desempenho do sistema.
Resultados experimentais foram comparados com o modelo teórico para determinação da validade do modelo.
Palavra-chave: Conforto Térmico, Leito de Pedra, Sistema Regenerativo, Análise Térmica, Resfriamento
ABSTRACT
The Rock Bed Regenerative Cooling System is a viable alternative to the air-conditioning unit developed in Australia in the
sixties. His operating principle is a combination of evaporative cooling and heat exchanger. It’s composed for two beds of rock
used as regenerative heat exchanger and other beds as evaporative cooling, both having high effectiveness. This process involves
transfer heat between air flow and rock bed and transfer of water vapor. A mathematical model was made to obtain a thermal
design and to check the performance of the system. Experimental results ware compared to the theoretical model for determining
the validity of the model.
Keywords: Thermal comfort, Rock Bed, Regenerative system, Thermal Analysis, Cooling.
INTRODUÇÃO
Por ser uma espécie pouco adaptada biologicamente ao
ambiente, o homem, por questões de sobrevivência, desenvolveu
métodos para criar um micro-ambiente onde era capaz de
adaptar-se. Por isso surgiram os sistemas de conforto térmico
que tem a função de manter condições ótimas para sua
sobrevivência.
O crescente consumo de energia não é acompanhado pelo
aumento de sua geração, por isso surge a necessidade de se
criar ou adaptar soluções alternativas, de custo acessível e com
baixo consumo de energia. Essa busca por soluções alternativas
são incentivadas também pela grande variedade de clima, como
no Brasil e por fatores ecológicos. Com esse intuito, têm-se o
objetivo de avaliar o sistema regenerativo de leito de pedra
como um sistemas alternativo de conforto térmico. Ele foi
utilizado com sucesso em escolas do sul da Austrália devido a
seu desempenho tanto no verão (aquecendo), quanto no inverno
(resfriando). Suas principais vantagens são: baixo custo
operacional quando bem dimensionado (apenas o consumo de
ventilador), utilizar ar sempre renovado , funcionar como
lavador de gás e estabilizar a temperatura do ar ambiente diante
1
da variação da temperatura do ar externo. Em oposição, um
efeito indesejado é o aumento excessivo da umidade do ar no
local condicionado. O limite superior de umidade relativa (UR)
em condições de conforto térmico é de 85 % e nessas unidades
deve-se evitar ultrapassar esse limite. Foi simulado o sistema
de refrigeração de ambiente com leito de pedra de maneira a se
verificar sua possibilidade como um sistema de resfriamento
alternativo.
Vários autores observaram que a influência da umidade
relativa (UR) no conforto térmico é muito pequena em longos
períodos, acima de uma ou duas horas, depois de alcançado o
equilíbrio, ou seja, em várias situações, o conforto térmico pode
ser alcançado através do resfriamento sem desumidificação do
ar, Gagge (1937), Koch, (1960), Nekink (1966), Morse e
Kowalczewski (1967).
Hogg (1971) construiu unidades para resfriar pequenas casas
de 90 a 185 m2 com isolamento no teto. Vários testes em
laboratório e com protótipo concluíram que o sistema de RBR
, sob várias condições climáticas pode proporcionar satisfatório
conforto térmico em regiões que a mínima temperatura de
orvalho seja 24,4 oC.
Trabalho desenvolvido na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), como parte do requisito na obtenção do título de Doutor do Prof. Eduardo José Cidade
Cavalcanti.
Centro Universitário do Sul de Minas - UNIS-MG
Ano I / v.3 / nº 3 / maio/ 2001
17
23
Read et al (1976) analisou unidades regenerativas de leito
de pedra instaladas em várias escolas no Sul da Austrália. Ele
relata que em projetos desse sistema devem ser observados os
requisitos de: Ventilação mínima, Térmicos (limites de
temperaturas), Nível de ruído, Dimensão do sistema (custos
operacionais e de instalação), Gerais (como despejo da água
residual do sistema para evitar problemas de saúde).
Anza (1966) realizou um estudo experimental das
características funcionais de um sistema evaporativo indireto
de cama de leito de pedra, propondo um modelo para comparar
as medidas do experimento com os dados do modelo
matemático. O modelo proposto por Anza (1966) é o mesmo
desenvolvido por Mumma e Marvin (1976), que simula o
armazenamento térmico de energia unidirecional no leito pedra.
Para estimar o desempenho do sistema de leito de pedra
foram utilizadas propriedades que possuem uma forte influencia
da precisão do modelo. Estas propriedades são: densidade das
pedras, fração de vazio, calor específico e diâmetro esférico
equivalente. Elas são determinados experimentalmente, com
exceção do calor específico, que é tabelado. O diâmetro esférico
equivalente é o diâmetro das esferas que ocupariam o volume
de pedra.
É importante a escolha do material que irá armazenar
energia sob a forma de calor sensível quando sólido. Esse
material deve ter um baixo custo e boas características de troca
térmica.
Anza (1966) observou que a densidade das pedras é uma
fonte de discrepância entre o modelo e o experimento, por isso
a estimativa da transferência de calor e da queda de pressão
que dependem do tamanho da partícula das pedras apresentaram
uma incerteza no modelo.
Dunkle (1972) desenvolveu gráficos e correlações úteis para
estimar sistema composto por partículas distribuídas
aleatoriamente. Esses sistemas podem ser regeneradores, leito
de armazenamento térmico e resfriadores evaporativos. Ele
gerou resultados suficientemente precisos para a maioria dos
projetos de engenharia.
O sistema regenerativo de leito de pedra foi desenvolvido
na Austrália por volta dos anos 70, obtendo sucesso como
sistema alternativo devido ao seu baixo custo operacional e a
facilidade de abastecimento de água dos lagos naquela região.
Após isso, pouco estudo e desenvolvimento foi realizado até os
dias atuais.
Figura 1. Esquema do Sistema de Resfriamento de Leito Pedra
Uma vazão de ar na temperatura ambiente entra à (T1) e é
resfriado no 1o regenerador de calor à temperatura (T2). Ao
passar pelo ventilador essa vazão é aquecida à (T3), antes de
entrar no local a ser resfriado. O ar saí à temperatura (T4) do
local e em seguida é resfriado por evaporação de (T5) a (T6) e
aquecido de (T6) a (T7) no 2o regenerador. Ambas as efetividades
do regenerador de calor e do resfriador evaporativo estão em
torno de 90 %. Nesse diagrama, o resfriador evaporativo foi
separado do regenerador para melhor compreensão. Quando a
umidade no ambiente efrigerado exceder 80 %, a umidificação
é interrompida, operando somente como sistema de ventilação.
Esse sistema opera em regime transiente pois, a partir de
um tempo determinado o sentido do fluxo é invertido e o 1o
regenerador de calor que resfriava o ar é resfriado. Observa-se
que entre as fases 1-2 e 5-7, ocorre transferência de calor e
massa.
Modelo proposto
Um modelo teórico foi simulado para verificar o desempenho
do sistema proposto pelos gráficos e correlações de Dunkle
(1972) de acordo com os parâmetros analisados.
Algumas propriedades de grande influência na precisão do
modelo foram obtidas dos trabalhos de Mumma e Marvin (1976)
e Dunkle (1972). As relações básicas utilizadas estão descritas
abaixo.
O número de Reynolds é definido pela vazão mássica do
gás (Go) e pelo diâmetro esférico equivalente das partículas
(dp). Esse diâmetro considera a porosidade aleatória do leito
pedra.
EXPERIMENTAL
Princípios Operacionais
O sistema regenerativo de leito pedra úmido (RBR) é uma
unidade de alta eficiência de troca térmica. Seu princípio de
operação é uma combinação de resfriamento evaporativo com
troca térmica regenerativa. O resfriamento ocorre na superfície
das pedras, onde uma vazão de ar transfere entalpia para o
leito de pedra e para uma vazão de água quando entram em
contato. O fluxo de ar é resfriado e umidificado. A entalpia do
ar é transferida para o leito de pedra, fornecendo a energia
necessárias para a evaporação da água na cama.
Esse sistema possui 2 leitos de pedra utilizados como
regeneradores térmicos com alta efetividade. O segundo
regenerador é umidificado, funcionando também como
resfriador evaporativo como apresentado na figura 1.
Ano I / v.3 / nº 3 / maio/ 2001
A transferência de calor é estimada pelo coeficiente de
transferência de calor volumétrico utilizado por Anza (1966).
Para avaliar esse sistema, 2 parâmetros adimensionais são
utilizados:
Parâmetro do tempo:
Centro Universitário do Sul de Minas - UNIS-MG
24
Parâmetro do comprimento:
A altura adimensional do leito é determinado por:
Pela Eq. (1) e (7) calcula-se o fluxo adimensional, o
parâmetro da queda de pressão:
O principal custo operacional do sistema é definido pelo
consumo de energia do ventilador. A potência do ventilador é
estimada por:
Essas correlações utilizam a queda de pressão em partículas
secas. No regenerador úmido, a queda de pressão nas partículas
deve ser corrigida pela expressão para faixa de dp entre 5 e 20
mm:
A queda de pressão total é composta pela queda de pressão:
no ventilador, nos dutos e no leito de leito pedra. Essa última é
estimada pela Eq. (8) e Eq. (9). As perdas nas tubulações são
estimada por Jones (1983).
Regenerador
A efetividade instantânea no regenerador é dada por:
O valor da efetividade diminui com o tempo. Para analisar
o sistema, utiliza-se a efetividade no tempo médio:
O sistema de distribuição do ar é projetada para uma
velocidade máxima de 5,08 m/s para evitar excesso de barulho,
de acordo com Hogg (1971). A queda de pressão no ventilador
é estimada por :
A diferença entre a efetividade inicial e final do período
é:
−
Dunkle (1972), desenvolveu gráficos que relaciona Zp , ηT ,
A variação de temperatura devido ao ventilador é igual à:
Y e DhT em regeneradores.
Resfriador Evaporativo
Daí o ganho de calor é igual á:
A eficiência (h) do resfriador é definida por:
De acordo com Dunkle (1972), a eficiência pode ser definida
em função do comprimento adimensional:
No modelo de Mumma (1976), as pedras numa seção ∆x,
são assumidas como tendo uma simples temperatura Tbm e a
equação diferencial obtida do balanço de energia do ar no
volume de controle é:
O processo de resfriamento evaporativo é praticamente
isoentálpico e o seu balanço de energia é:
As propriedades da entalpia e umidade são estimadas por:
Centro Universitário do Sul de Minas - UNIS-MG
desenvolvendo, tem-se que:
Ano I / v.3 / nº 3 / maio/ 2001
25
O balanço de energia na seção ∆x das pedras é:
As comparações iniciais não obtiveram bons resultados.
Realizando uma análise de sensibilidade das características das
pedras, observou-se as conclusões de Anza (1966); que há uma
discrepância entre a densidade das pedras do experimento com
o do modelo teórico. Para obter melhores resultados é necessário
ajustar o coeficiente de transferência de calor que está
relacionado com a densidade das pedras. Utilizando o valor
proposto de densidade das pedras de 2712 kg/m3, a precisão
dos resultados são melhores.
desenvolvendo, tem-se que:
CONCLUSÕES
Na simulação computacional foi desenvolvida utilizando
as Eq.(26) e Eq. (28), segundo o diagrama de bloco apresentado
na figura 2.
Foi simulado um modelo teórico para verificar o
desempenho do sistema proposto pelos gráficos e correlações
de Dunkle (1972). As conclusões obtidas são que:
A modelagem teórica e suas correlações podem ser uma
boa ferramenta para análise térmicas e estimativa do
desempenho dessa unidade.
Em primeira análise, o sistema regenerativo de leito pedra
úmido pode ser um sistema alternativo de resfriamento de
ambiente garantindo o conforto térmico em condições similares
com a vantagem de um pequeno custo operacional.
Será construído um protótipo para verificar a real
possibilidade do sistema RBR como sistema de resfriamento
para as condições climáticas de Campinas, sem que exceda o
limite máximo de umidade dentro do ambiente
Algumas propriedades de grande influência no modelo como
transferência de calor e queda de pressão possuem uma incerteza
na precisão, pois são avaliadas pelas dimensões das pedras.
Sugiro um estudo das razões dessa incerteza na tentativa de
criar algum método para minimizar esse erro.
AGRADECIMENTOS
Figura 2. Diagrama de bloco do programa
Agradeço ao Cnpq pelo apoio financeiro, principalmente
pela bolsa de estudo concedida.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
NOMENCLATURA
Os dados da simulação do modelo das temperaturas do leito
de pedra foram comparadas com as medidas experimentais de
Anza (1966). O leito de 0,36 m2 de área frontal com 0,4 m de
altura foi testado para as velocidades do fluxo de ar variando
entre 0,05; 0,076; 0,102; 0,127 e 0,152 m/s e diâmetro de
partículas de 1,25 e 1,91 cm. Foram obtidas as temperatura
das pedras nos intervalos de tempo de operação de 0, 20, 40 e
60 min. Essas resultados são representados no gráfico da figura
3, que relaciona a distribuição das temperaturas das pedras com
o tempo de operação.
Af
cp
cpb
D
Dp
E
Go
H
Har
Hvs
Hv
ks
L
m.
mW
n.
N3
N4
P
Pv
Figura 3. Gráfico do efeito do tempo e da temperatura do leito
Ano I / v.3 / nº 3 / maio/ 2001
área frontal do leito [m2]
calor específico do ar [J/kg oC]
calor específico do leito[J/kg oC]
diâmetro [m]
diâmetro esférico equivalente das partículas [m]
fração de vazio
vazão mássica do gás [kg/m2s]
entalpia do ar [J/kg]
entalpia do ar seco[J/kg]
entalpia do vapor de água saturado[J/kg]
coeficiente de transf. de calor volumétrico [W/m3 oC]
rugosidade absoluta da parede do duto [m]
altura do leito [m]
vazão mássica de ar [kg/s]
vazão mássica da água [kg/s]
número de divisões do leito
π2/(32ρ)
1,255πµ/(4ρ)
pressão
pressão de vapor [bar]
Centro Universitário do Sul de Minas - UNIS-MG
26
Pvs
∆p
∆Pv
∆PT
∆pW
Q
q
Re
S0
T
T(k)
Tbm
∆T
UA
U
Vp
∆x
Y
Z
Zp
W
ρ
µ
θ
θp
τ
λ
π
η
ηv
ηT
ηT
∆ηT
pressão de vapor saturado [bar]
queda de pressão [Pa/m]
queda de pressão no ventilador, [Pa]
queda de pressão total do sistema [Pa]
queda de pressão nas partículas úmidas [Pa]
vazão volumétrica [m3/s]
ganho de calor pelo ventilador [W]
número de Reynolds
área, [m2]
temperatura do ar [oC]
temperatura do ar [K]
temperatura das pedras [oC]
variação de temperatura devido ao ventilador [oC]
umidade absoluta
umidade relativa
volume das partículas de pedra [m3]
dimensão da seção, L/n [m]
comprimento adimensional
parâmetro adimensional do tempo
tempo adimensional correspondente ao período
potência do ventilador [W]
massa específica do ar [kg/m3]
viscosidade do ar [kg/m.s]
tempo [s]
período [s]
Intervalo de tempo de simulação [s]
altura adimensional do leito
fluxo adimensional ou o parâmetro da queda de pressão
eficiência do resfriador evaporativo
rendimento do ventilador, varia entre 0,7 e 0,8
efetividade instantânea no regenerador
efetividade da temperatura média.
variação da efetividade inicial e final
HANDBOOK ASHRAE - Fundamentals SI Edition. Cap.26:
Nonresidential Air- Conditiong Cooling and Heating Load,
(1993) 63-64.
HOGG, F. G., A Switched-Bed Regenerative Cooling System,
ASHRAE Trans., 75 (1971) 41-46.
JONES, W.P., A escolha das condições de insulflamento de
projeto e Os fundamentos do escoamento de ar em dutos,
Engenharia de Ar condicionado, Rio de Janeiro, (1983).
KOCH, W. et al., Enviromental Study - Sensation Responses
to Temperature and Humity under Still Air Condition in
the Confort Range, ASHRAE Trans., 66 (1960) 264.
MORSE ET KOWALCZEWSKI., “A Rational Basis for Human
thermal Confort”, ASHRAE Journal, 9 (9) (1967) 72.
MUMMA, S. A., MARVIN, W. C., AUGUST, A Method of
Simulating the Performance of a Pebble Bed Thermal
Energy Storage and Recovery System, In Conference, St.
Louis, MO: ASME-AICHE Heat transfer Conferenceration,
no 76-HT-73, (1976) 1-5.
NEKINK, R. G. et al., “Temperature and Humity Chart for
thermal Confort of Seted Persons”, ASHRAE Trans., 72
(1966) 283.
READ, W.R, CHAPMAN, H.L. e DAVEY, L.E., “The use of
RBR Systems in South Australian Schools”, In Conference,
Adelaide: Australian Refrigeration, Air Conditioning and
Heating., 12 (26) (1972) 20.
SANCHEZ, C. G.; PEREIRA, J. T. V., Processos Psicrómetricos
Elementares, Apostila da disciplina de Conforto Térmico
de Ambiente (UNICAMP- Campinas), Controle Térmico
de Ambiente., (1986).
THRELKELD, J. L., Thermal Environmental Engineering,
Psychometric Charts and Elementary Applications, 2a Ed.,
New Jersey, Prentice-Hall, Inc, (1970) 179.
SUB-ESCRITO
DB WB W -
bulbo seco
bulbo úmido
água
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANZA, J. M. R., Rock Bed Regenerative as a Means os Indirect
Evaporative Cooling,, ASHRAE Trans., 68 (1966) 787-796.
DUNKLE, R. V., ELLUL, W. M. J., Randomly-Pached
Particulate Bed Regenerative and Evaporative Coolers,
Mechanical e Chemical Engineering Transaction, (1972)
117.
FRANÇA, F. H. R.; GOLDSTAIN, L., Air Cooler
Thermohydraulic Design Optimization, ICHMT
International Symposium on New Development in Heat
Exchanger, (1993).
GAGGE, A. P. et al., “Thermal Interchanges Between the
Human Body and Its atmospheric Enviroment, Amer. Jounal
of Hygiene., 12 (26) (1937) 84-102.
Centro Universitário do Sul de Minas - UNIS-MG
Ano I / v.3 / nº 3 / maio/ 2001