Orientador: José Vicente Hallak D'Angelo

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O elevado consumo de energia elétrica nos sistemas de refrigeração e a necessidade da substituição de refrigerantes de alto impacto ambiental contribuem para o crescimento de pesquisas sobre tecnologias alternativas em ciclos de refrigeração nos setores industrial e comercial. Nesse...

Resumo: O elevado consumo de energia elétrica nos sistemas de refrigeração e a necessidade da substituição de refrigerantes de alto impacto ambiental contribuem para o crescimento de pesquisas sobre tecnologias alternativas em ciclos de refrigeração nos setores industrial e comercial. Nesse contexto, diversos autores têm estudado novas configurações do ciclo cascata de refrigeração com o objetivo de aumentar sua eficiência energética e utilizar refrigerantes de menor GWP (do inglês, "Global Warming Potential") e ODP (do inglês, "Ozone Depletion Potential") para atender a demanda de frio. O presente trabalho teve como objetivo realizar uma análise paramétrica do ciclo cascata composto por um ciclo de absorção simples-efeito (SRA) e um ciclo tradicional por compressão de vapor (VCC) em diferentes condições operacionais, visando avaliar e otimizar seu desempenho termodinâmico global (COPglobal). Testaram-se diferentes pares de refrigerantes-absorvente no SRA e refrigerantes naturais no VCC em uma carga térmica de refrigeração de 50 kW. As seguintes variáveis operacionais foram manipuladas: temperaturas de evaporação (-55 °C até -35°C), temperaturas de condensação cascata (-10 °C até 20 °C), temperaturas na saída do gerador (80 °C até 135 °C) e vazão mássica na saída do absorvedor de cada par no SRA. A análise paramétrica foi realizada por meio de dois cenários comparados com NH3-H2O/CO2, comumente estudado na literatura. No primeiro cenário, avaliou-se os efeitos provocados pelas variáveis no par NH3-H2O no SRA e NH3 ou CO2 no VCC. E, no segundo cenário, avaliou-se os mesmos efeitos sobre os pares R32-DMAc (dimetilacetamida), R134a-DMAc e 152a-DMAc no SRA e CO2 no VCC. Utilizou-se o simulador de processos Aspen HYSYS® para simular o ciclo e realizar a otimização de seu COPglobal pelo Método Box por meio da ferramenta Optimizer, contida no simulador. Selecionou-se o pacote termodinâmico EOS-PRSV para os cálculos relacionados às propriedades dos fluidos. O aumento da temperatura de condensação cascata promoveu uma redução de 17 % em ambos os cenários. O aumento da temperatura de saída do gerador e da vazão mássica na saída do absorvedor variaram o COPglobal em até 62 % (aumentou) e 55 % (reduziu), respectivamente. Após a otimização, o COPglobal aumentou em média 50 %, reduzindo, proporcionalmente, a taxa total de destruição de exergia, com as destruições concentradas no trocador de calor solução (25%). O desempenho termodinâmico do R152a-DMAc/CO2 aproximou-se do NH3-H2O/CO2, sendo uma alternativa pertinente à sua aplicação em sistemas de refrigeração, devido ao baixo GWP

Abstract: The high electric energy consumption and the need of refrigerants of lower environment impact at refrigeration systems have influenced in the increasing of researches about alternatives cycles in the industrial and commercial sector. Several authors have been studied refrigeration¿s cycle...

Abstract: The high electric energy consumption and the need of refrigerants of lower environment impact at refrigeration systems have influenced in the increasing of researches about alternatives cycles in the industrial and commercial sector. Several authors have been studied refrigeration¿s cycle new configurations to obtain higher energy performance and work with refrigerants of lower GWP (Global Warming Potential) and ODP (Ozone Depletion Potential). In this work, a cascade refrigeration cycle combining a single-effect absorption cycle (ABS) and a vapor compression cycle (VCC) was studied operating with different refrigerants-absorbent pairs and natural refrigerants, respectively, for a cooling load to 50 kW. The studying was conducted in two scenarios, both compared with NH3-H2O/CO2. The NH3-H2O pair was tested in the high-temperature cycle (ABS) with a CO2 and NH3 pure natural refrigerants in the low-temperature cycle (VCC) at first scenario. At second scenario, three different pairs refrigerant-absorbent (R32-DMAc - dimethylacetamide, R134a-DMAc, and R152a-DMAc) were tested in the ABS with CO2 in the VCC. Parametric analysis considered the influence of following variable parameters over the COP (coefficente of performance overall, COPoverall) and exergy destruction rate: evaporator outlet stream temperature (from -55 °C to -35°C), generator outlet stream temperature (from 80 °C to135 °C), condenser outlet stream temperature in the cascade heat exchanger (from -10 °C to 20 °C) and, mass flow at the absorber outlet stream (depends of pair at ABS section). Simulations were performed using a commercial process simulator Aspen HYSYS® and EOS-PRSV package was selected to describe of fluids proprieties. The optimization procedure was realized by Box Method using Optimizer tool at the simulator. The results showed that when the condenser temperature increased, COPoverall was reduced in 17% and when the generator temperature of the cycle increased, COPoverall increased as well, about 62 % for both scenario. After Optimization, the COPoverall has increased up to 50% and total exergy destruction rate was minimized, being concentrated in the solution heat exchanger (25%). The pair R152a-DMAc/CO2 presented the highest performance, very close to the one of NH3-H2O/CO2, but with the advantage of presenting a lower GWP that others pairs

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