CENTRO UNIVERSITÁRIO FEI
GIULIA LIZ MORELLATO TRAZZI
SIMULAÇÃO E AVALIAÇÃO TERMODINÂMICA DE SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO COM INJEÇÃO DE VAPOR E TANQUE FLASH COM O USO
DE MISTURAS DE REFRIGERANTES
São Bernardo do Campo
2017
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Análise de Ciclos de Refrigeração: COP, Potência e Vazão em R290/R600a, HCs e HFCs, Resumos de Sistemas Políticos
Uma revisão bibliográfica sobre estudos de ciclos de refrigeração com injeção de vapor utilizando tanque ‘flash’ e refrigerantes alternativos, incluindo hcs e hfcs. O texto discute as restrições impostas ao sistema, como a pressão mínima e a formação de líquido, e apresenta análises paramétricas de sistemas ftvi com r290/r600a, hc-a, hc-b e hfc. Além disso, o documento discute as influências da composição da mistura e da razão de expansão na cop, potência do compressor, vazão mássica de refrigerante e temperaturas do evaporador e condensador.
Tipologia: Resumos
2020
1 / 107
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CENTRO UNIVERSITÁRIO FEI
GIULIA LIZ MORELLATO TRAZZI
SIMULAÇÃO E AVALIAÇÃO TERMODINÂMICA DE SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO COM INJEÇÃO DE VAPOR E TANQUE FLASH COM O USO
DE MISTURAS DE REFRIGERANTES
São Bernardo do Campo 2017
GIULIA LIZ MORELLATO TRAZZI
SIMULAÇÃO E AVALIAÇÃO TERMODINÂMICA DE SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO COM INJEÇÃO DE VAPOR E TANQUE FLASH COM O USO
DE MISTURAS DE REFRIGERANTES
Dissertação apresentada ao Centro Universitário FEI, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Mestre em Engenharia Química. Orientado pelo Prof. Ricardo Belchior Torres. São Bernardo do Campo 2017
Versão 2016
APRESENTAÇÃO DE DISSERTAÇÃO
ATA DA BANCA EXAMINADORA
Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Química Mestrado PGQ- 10 Aluno: Giulia Liz Morellato Trazzi Matrícula: 415302 - 9 Título do Trabalho: Simulação e avaliação termodinâmica de sistemas de refrigeração com injeção de vapor e tanque flash com o uso de misturas de refrigerantes. Área de Concentração: Engenharia Química Orientador: Prof. Dr. Ricardo Belchior Torres
Data da realização da defesa: 2 9/08/2017 ORIGINAL ASSINADA
Avaliação da Banca Examinadora:
São Bernardo do Campo, / /. MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Ricardo Belchior Torres Prof. Dr. Roger Josef Zemp Prof. Dr. Cyro Albuquerque Neto Ass.: _____________________________________ Ass.: _____________________________________ Ass.: _____________________________________ A Banca Julgadora acima-assinada atribuiu ao aluno o seguinte resultado: APROVADO REPROVADO Aprovação do Coordenador do Programa de Pós-graduação Prof. Dr. Ricardo Belchior Torres VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO APROVO A VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO EM QUE FORAM INCLUÍDAS AS RECOMENDAÇÕES DA BANCA EXAMINADORA
Dedico este trabalho aos meus pais, Marta Helena M. Trazzi e Fernando Luiz Trazzi e aos meus irmãos, Fernando e Gabriel.
RESUMO
Sistemas de refrigeração estão presentes em diversas aplicações, como, por exemplo, proporcionar conforto térmico pela climatização de ambientes, gerar utilidades frias para aplicações em processos industriais, conservar alimentos, bebidas e produtos farmacêuticos, entre outros. Porém, esses sistemas são grandes consumidores de energia e devem ser operados da forma mais eficiente possível, evitando gastos desnecessários. Além disso, deve-se levar em conta também a questão ambiental, que está ligada à necessidade de substituição dos fluidos refrigerantes nocivos à camada de ozônio e com alto potencial de aquecimento global por outros que sejam mais amigáveis ao meio ambiente. Neste trabalho, um ciclo de refrigeração por compressão com injeção de vapor e tanque flash foi estudado utilizando três misturas, sendo duas de hidrocarbonetos (R290/R600a e R290/R600) e outra de hidrofluorocarbonetos (R32/R152a). Foram realizadas simulações em estado estacionário de forma a efetuar uma análise paramétrica, considerando a influência da composição de refrigerante e da razão de expansão da válvula de expansão no primeiro estágio, avaliando parâmetros como COP, RTG do evaporador e condensador, razão de compressão global e por estágio, vazão mássica do refrigerante, composição das fases líquida e vapor que saem do tanque flash e fração de vapor na entrada do evaporador. Para as condições estudadas, o sistema que apresentou o maior COP foi a mistura de R290/R600, com uma composição de 5 0% de propano, em massa, e razão de expansão entre 50% e 60%. A mistura HFC apresentou os piores resultados de COP em todas as situações avaliadas, além de se mostrar inviável para algumas condições estudadas. Palavras-chave: Refrigeração. Injeção de vapor. Simulação. Mistura de refrigerantes.
ABSTRACT
Refrigeration systems are present in several uses, such as: providing thermal comfort through air conditioning, supplying cold utilities to industrial applications, preserving food, beverages and pharmaceutical products, among others. However, these systems are large energy consumers and should be operated in the most efficient possible way, avoiding unnecessary costs. Furthermore, the environmental issue must be taken into account, regarding the replacement of ozone depleting refrigerants and fluids with high global warming potential, choosing eco-friendly ones. This work presents a performance evaluation of a flash tank vapor injection refrigeration system using three mixtures, R290/R600a, R290/R600 and R32/R152a. Steady-state simulations were performed to accomplish a parametric analysis considering the influence of the refrigerant composition and the expansion ratio of the upper-stage expansion valve, analyzing the following parameters: COP, refrigerant temperature glide of the evaporator and the condenser, compression ratio, refrigerant mass flow rate, liquid and vapor composition of flash tank outlet streams and vapor fraction of evaporator inlet. Considering the studied conditions, a maximum COP was obtained for the mixture R290/R600, composed by 5 0 wt% of R290 and expansion ratio between 50% and 60%. The HFC mixture resulted in worse values of COP for all situations studied and was considered unfeasible for some conditions evaluated. Keywords: Refrigeration. Vapor injection. Simulation. Mixture refrigerant.
Figura 20 – RTG do evaporador para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). .................... 65 Figura 21 – RTG do evaporador para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). .................... 65 Figura 22 – RTG do evaporador para a mistura HFC em função da fração mássica de R32 na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ......................... 66 Figura 23 – ∆T do evaporador para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ......................... 67 Figura 24 – ∆T do evaporador para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ......................... 67 Figura 25 – ∆T do evaporador para a mistura HFC em função da fração mássica de R32 na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ......................... 68 Figura 26 – RTG do condensador para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5. ........................................................................................................ 69 Figura 27 – RTG do condensador para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5. ........................................................................................................ 69 Figura 28 – RTG do condensador para a mistura HFC em função da fração mássica de R32 na corrente #5. ............................................................................................................. 70 Figura 29 – ∆T do condensador para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). .................... 71 Figura 30 – ∆T do condensador para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). .................... 71 Figura 31 – ∆T do condensador para a mistura HFC em função da fração mássica de R32 na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ......................... 72 Figura 32 – Vazão mássica da corrente #5 para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ...... 73 Figura 33 – Vazão mássica da corrente #5 para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ...... 73 Figura 34 – Vazão mássica da corrente #5 para a mistura HFC em função da fração mássica de R32 na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ............ 74 Figura 35 – Temperatura da corrente #5 para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5. .......................................................................................... 75 Figura 36 – Temperatura da corrente #5 para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5. .......................................................................................... 76
Figura 37 – Temperatura da corrente #5 para a mistura HFC em função da fração mássica de R32 na corrente #5. ................................................................................................. 76 Figura 38 – Razão de compressão do 1° estágio para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ................................................................................................................. 77 Figura 39 – Razão de compressão do 1° estágio para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ................................................................................................................. 78 Figura 40 – Razão de compressão do 1° estágio para a mistura HFC em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ................................................................................................................. 78 Figura 41 – Razão de compressão do 2° estágio para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ................................................................................................................. 79 Figura 42 – Razão de compressão do 2° estágio para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ................................................................................................................. 79 Figura 43 – Razão de compressão do 2° estágio para a mistura HFC em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ................................................................................................................. 80 Figura 44 – Razão de compressão global para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ...... 80 Figura 45 – Razão de compressão global para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ...... 81 Figura 46 – Razão de compressão global para a mistura HFC em função da fração mássica de R32 na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). ............ 81 Figura 47 – Fração mássica de propano na fase vapor (y) e na fase líquida (x) na saída do tanque flash para a mistura HC-a em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). .............................................. 82 Figura 48 – Fração mássica de propano na fase vapor (y) e na fase líquida (x) na saída do tanque flash para a mistura HC-b em função da fração mássica de propano na corrente #5 e da razão de expansão da válvula (estágio superior). .............................................. 83
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Consumos específicos de energia, em MJ/t, de produtos da indústria de laticínios, por usos finais. ........................................................................................................ 14 Tabela 2 - Efeitos ambientais de refrigerantes usuais. ............................................................. 30 Tabela 3 - Resumo de trabalhos científicos que estudaram a substituição de refrigerantes por HCs e HFCs e suas misturas. .................................................................................. 39 Tabela 4 - Propriedades dos refrigerantes estudados................................................................ 51 Tabela 5 - Propriedades termodinâmicas dos fluidos refrigerantes obtidas pelos softwares ASPEN HYSYS®^ e REFPROP®. ........................................................................... 54 Tabela 6 - Pressão de saturação (em MPa) dos fluidos refrigerantes em diversas temperaturas obtidas pelos softwares ASPEN HYSYS®^ e REFPROP®. ..................................... 54 Tabela 7 – Desvio entre os dados do equilíbrio líquido-vapor a P = 620 kPa para a mistura R32/R152a retirados da literatura e obtidos pelo software ASPEN HYSYS®. ..... 56 Tabela 8 - Desvio entre os dados do equilíbrio líquido-vapor, a T = 0 °C, para a mistura R290/R600a retirados da literatura e obtidos pelo software ASPEN HYSYS®. ... 57 Tabela 9 - Desvio entre os dados do equilíbrio líquido-vapor, a T = 30 °C, para a mistura R290/R600a retirados da literatura e obtidos pelo software ASPEN HYSYS®. ... 58 Tabela 10 – Desvio entre os dados do equilíbrio líquido-vapor a T = - 13,15 °C para a mistura R290/R600 retirados da literatura e obtidos pelo software ASPEN HYSYS®...... 59 Tabela 11 - Desvio entre os dados do equilíbrio líquido-vapor a T = 6,85 °C para a mistura R290/R600 retirados da literatura e obtidos pelo software ASPEN HYSYS®...... 60
LISTA DE ABREVIATURAS
Bep – Barril equivalente de petróleo CFC – Clorofluorcarboneto COP – Coeficiente de desempenho (Coefficient of Performance) CR – Razão de compressão (Compression Ratio) EDEC – Equação de estado cúbica EEV – Válvula de expansão eletrônica (Eletronic Expansion Valve) ER – Razão de expansão na primeira válvula de expansão (Expansion Ratio) FTVI – Ciclo de compressão com injeção de vapor com tanque flash (Flash Tank Vapor Injection) GWP – Potencial de aquecimento global (Global Warming Potential) HC – Hidrocarboneto HCFC – Hidroclorofluorcarboneto HFC – Hidrofluorocarboneto HYS – Valor obtido pelo software Aspen Hysys® IHXVI – Ciclo de compressão com injeção de vapor com trocador de calor interno (Internal Heat Exchanger Vapor Injection) ODP – Potencial de destruição de ozônio (Ozone Depletion Potential) PID – Proporcional integral derivativo RTG – Curva de temperatura do refrigerante (Refrigerant Temperature Glide) SCVI – Ciclo de compressão com injeção de vapor com sub-resfriamento (Sub-Cooler Vapo Injection) Tep – Tonelada equivalente de petróleo UHT – Ultra alta temperatura (Ultra High Temperature) VF – Fração de vapor (Vapor Fraction)
LISTA DE SÍMBOLOS
C – Grandeza avaliada no ponto crítico CCl 4 – Tetracloreto de carbono CO 2 – Dióxido de carbono Comp – Grandeza referente ao compressor Comp1 – Grandeza referente ao 1° estágio de compressão Comp2 – Grandeza referente ao 2° estágio de compressão Descarga – Grandeza referente ao ponto de descarga do compressor Eb – Grandeza avaliada no ponto de ebulição Ent – Grandeza avaliada no ponto de entrada do equipamento Evap – Grandeza referente ao evaporador i – Grandeza referente ao componente i da mistura h – Entalpia específica LiBr – Brometo de lítio Liq_sat – Grandeza no ponto de líquido saturado ṁ – Vazão mássica n (Sendo n um número inteiro de 1 a 9) – Grandeza referente à corrente #n NH 3 – Amônia P – Pressão Q – Fluxo de calor R11 – Ttriclorofluorometano R12 – Diclorodifluorometano R22 – Clorodifluorometano R23 – Trifluorometano R32 – Difluorometano R115 – Cloropentafluoroetano R125 – 1,1,1,2,2-Pentafluoroetano R134a – 1,1,1,2-Tetrafluoroetano R152a – 1,1-Difluoroetano R161 – Fluoroetano RE170 – Etano R290 – Propano
R410a – Mistura R32/R R430a – Mistura R152a/R600a R431a – Mistura R152a/R R502 – Mistura R22/R R 600 – n-Butano R600a – Isobutano R1130 – 1,2-Dicloroeteno (trans) R1234yf – 2,3,3,3-Tetrafluoropropeno R1270 – Propeno REF – Valor obtido pelo software REFPROP® S – Entropia SO 2 – Dióxido de enxofre Sai – Grandeza avaliada no ponto de saída do equipamento Sucção – Grandeza referente ao ponto de sucção do compressor T – Temperatura V – Volume Vap_sat – Grandeza no ponto de vapor saturado V/F – Razão entre a saída de vapor e a entrada do tanque “flash” W – Trabalho x – Proporção da composição da mistura (fase líquida) y – Proporção da composição da mistura (fase vapor) ω – Fator acêntrico
- 1 INTRODUÇÃO
- 1.1 OBJETIVOS
- 1.2 MOTIVAÇÃO
- 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
- 2.1 CICLOS DE REFRIGERAÇÃO
- 2.1.1 Histórico
- 2.1.2 Ciclos de refrigeração por compressão de vapor
- 2.1.3 Ciclo de refrigeração por absorção
- 2.1.4 Bomba de calor
- 2.1.5 Ciclo de refrigeração em cascata
- 2.1.6 Ciclo de refrigeração com injeção de refrigerante
- 2.2 FLUIDOS REFRIGERANTES
- 2.2.1 Histórico
- 2.2.2 Hidrocarbonetos
- 2.2.3 Hidrofluorocarbonetos
- 2.2.2 Misturas de refrigerantes
- 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
- 3.1 CICLOS DE REFRIGERAÇÃO COM INJEÇÃO DE VAPOR
- 3.2 REFRIGERANTES ALTERNATIVOS (HC E HFC)
- METODOLOGIA...............................................................................................................
- 4.1 ESTUDO DE CASO
- 4.2 SIMULAÇÕES
- 4.2.1 Simulador e pacote termodinâmico
- 4.2.2 Modelagem do sistema, hipóteses e restrições.............................................................
- 4.3 ESCOLHA DOS REFRIGERANTES
- 4.4 VALIDAÇÃO DAS SIMULAÇÕES
- 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
- 5.1 VALIDAÇÃO DAS SIMULAÇÕES
- 5.1.1 Dados das substâncias puras
- 5.1.2 Dados das misturas
- 5.2 ANÁLISE PARAMÉTRICA
- 6 CONCLUSÕES....................................................................................................................
- 7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
- REFERÊNCIAS
11 1 INTRODUÇÃO Sistemas de refrigeração estão presentes nas mais diversas aplicações industriais, os quais produzem utilidades frias para diferentes utilizações, como trocadores de calor e controle da velocidade e da direção de reações químicas em reatores com troca térmica. Processos físicos tais como resfriamento de correntes líquidas, condensação de vapores, congelamento de líquidos, cristalização de sólidos em solução etc, que são amplamente empregados em diversos processos, também são muito importantes e envolvem a remoção de calor utilizando refrigeração (DINÇER; KANOGLU, 2010). No setor residencial, as aplicações de sistemas de refrigeração são, principalmente, aparelhos de ar-condicionado, geladeiras e freezers, os quais são equipamentos de uso constante e de necessidade básica, principalmente em países de clima tropical (LOBOSCO, 2009). Porém, esses sistemas são grandes consumidores de energia elétrica. Segundo dados do PROCEL – Programa Nacional de Conservação da Energia Elétrica, do Ministério de Minas e Energia, coordenado pela Eletrobrás (PROCEL, 2007), o consumo com refrigeração residencial é responsável, em média, por mais de 10 % de todo o consumo nacional de energia elétrica. Somando-se ao consumo doméstico o consumo industrial e o comercial, estima-se que até 15% de toda a capacidade mundial de geração de energia elétrica seja utilizada para a refrigeração (COULOMB, 2008). Pela análise da Figura 1, é possível observar o aumento no preço da energia elétrica residencial e industrial no Brasil, baseado na série histórica completa do Balanço Energético Nacional de 2016, referente ao ano de 2015 (EPE/MME, 2016a). Além disso, comparando-se com outros países, a energia elétrica no Brasil é a segunda mais cara do mundo, como pode ser observado na Figura 2. Em 2015, o segmento de alimentos e bebidas foi responsável por 25,4% do consumo total de energia na indústria brasileira, sendo que a participação deste segmento no consumo industrial total de energia elétrica foi de 13,3%, segundo dados do Balanço Energético Nacional (EPE/MME, 2016b). Na indústria de alimentos e bebidas, a refrigeração é o uso final que mais consome energia elétrica, como pode ser verificado na Figura 3 , possuindo um rendimento de conversão em torno de 75% (ROCHA et al., 20 10). Isso significa que 25% de toda a energia consumida em sistemas de refrigeração é desperdiçada. De acordo com uma pesquisa elaborada pela Confederação Nacional das Indústrias (CNI), o potencial de conservação de energia elétrica por ano em refrigeração nas indústrias de alimentos e bebidas, têxtil e química é de 46.600 tep (tonelada equivalente de petróleo), o que corresponde a 540 GWh (EPE/MME, 2009).