Com as condições iniciais mostradas no subitem 8.1.1 foram obtidos os resultados mostrados na Tab. (8.3). Olhando para esses dados, observa-se que o SRA possui três níveis de pressão: 4,878 bar, 12,78 bar e 14,28 bar. A menor concentração de amônia foi observada nos pontos de estados 13 e 14, que correspondem à saída do GERA e a saída da VR 3, respectivamente. Observa-se, também, que no ponto de estado 16 (retorno da solução retificada para o GERA) a concentração de amônia é de 51,21 %, caracterizando uma condensação de amônia juntamente com a água.
A maior temperatura do sistema encontra-se no ponto de estado 13, que corresponde à saída do GERA (101,50 °C) e o ponto de menor temperatura foi o de número 5 (3,51 °C), entrada do EVA, como era de se esperar. Constata-se a elevação da temperatura na saída do ABS (ponto 8), que sai com uma temperatura de 62,44 °C, mesmo ocorrendo uma mistura de dois fluxos com temperaturas de 30,45 °C (ponto 7 – solução oriunda do TCC) e 71,13 °C
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(ponto 14 – solução vinda da VR 3). Uma maior discussão sobre esse processo será apresentada mais adiante.
A qualidade do vapor em percentual é mostrada na Tab. (8.3). Esse parâmetro indica em qual estado a solução se encontra, ou seja, estado de líquido comprimido, líquido saturado, vapor úmido, vapor saturado ou vapor superaquecido. Para isso, os seguintes critérios são adotados: 1) qualidade de 100 % indica que o estado é de vapor saturado; 2) qualidade igual a 0 % indica que o estado é de líquido saturado; 3) qualidade superior a 100% indica que a solução está superaquecida, 4) qualidade negativa indica que a solução está sub-resfriada e 5) qualidade entre 0 e 100 % indica que o estado da solução é de vapor úmido.
Tabela 8.3 - Pontos de estados com os parâmetros obtidos na simulação em regime permanente. Ponto de Estado Temperatura (°C) Pressão (bar) Concentração de NH3 (%) Entalpia (kJ/kg) Qualidade (%) 1 54,27 14,28 99,86 1340,00 100,00 2 37,00 14,28 99,80 1747,00 0,00 3 33,14 12,78 99,80 1747,00 1,68 4 7,47 12,78 99,80 33,52 -0,10 5 3,51 4,88 99,80 33,52 1,49 6 5,00 4,88 99,80 1276,00 100,00 7 30,45 4,88 99,80 1340,00 100,10 8 62,44 4,88 51,28 390,60 24,07 9 37,00 4,88 51,28 -73,59 0,00 10 37,17 14,28 51,28 -72,05 -0,10 11 42,31 14,28 51,28 -48,92 -0,10 12 59,87 14,28 51,28 30,77 -0,10 13 101,5 14,28 37,96 231,40 0.00 14 71,13 4,878 37,96 231,40 8,91 15 76,15 14,28 98,90 1420,00 100,00 16 76,25 14,28 51,21 106,50 0,00 17 12 - - 50,51 -0,10 18 7 - - 29,53 -0,10
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Na Tab. (8.4) todos os fluxos de calores são listados. Observa-se que os valores positivos indicam entrada de calor para o sistema e os valores negativos indicam saída de calor do sistema, dessa forma, recebem calor o GERA e o EVA e liberam calor o COND e o ABTA.
Na Tab. (8.5) pode-se constatar a quantidade de energia que foi recuperada nas serpentinas e no TCC.
Consta-se que a parcela maior de recuperação de calor se deu no ABS e a menor no TCC. Olhando para as Tabs. (8.4) e (8.5), constata-se que o total de calor liberado no processo de absorção foi de 179,49 kW (esse total é a soma dos valores absolutos dos fluxos de calores no absorvedor-trocador de calor a ar e serpentina do absorvedor), sendo, portanto, muito maior do que a quantidade de calor fornecida no GERA para evaporar a amônia da solução.
Tabela 8.4 - Fluxos de calores do SRA em estudo. Volume de Controle Fluxo de Calor (kW)
Gerador 152,50
Condensador -82,71
Evaporador 88,33
Absorvedor – trocador de calor a ar -153,20
Tabela 8.5 - Fluxos de calores na recuperação do calor interno no SRA em estudo. Volume de Controle Fluxo de Calor (kW)
Serpentina do retificador 7,63
Serpentina no absorvedor 26,29
Trocador de calor concêntrico 4,75
8.1.3.1 Análise do SRA Através do Gráfico de Duhring
A Figura 8.1 mostra o gráfico de Duhring, onde todo o ciclo do SRA pode ser visualizado. Neste gráfico, os três níveis de pressão do sistema são mostrados, onde PH
representa o nível de maior pressão, PI o nível de pressão intermediário e PB o nível de
pressão mais baixo. As temperaturas: máxima e mínima são indicadas por THe TB; a TR é a
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indicam o sentido do fluxo de solução, onde os pontos 13, 14 e 16 pertencem ao fluxo de solução fraca; os pontos 8, 9, 10, 11 e 12 pertencem ao fluxo de solução forte e os pontos de 1 – 7 pertencem ao fluxo de solução rica, onde a amônia apresenta 99,8 % de concentração.
Com a ajuda do gráfico de Duhring pode-se detectar onde a recuperação interna de calor pode ser aplicada. No sistema em estudo, a recuperação interna de calor está sendo adotada no RET, no ABS e no TCC. A recuperação interna de calor no ABS está claramente indicada pela seta TSA, que indica o fluxo de calor do ABS (pontos 7 e 14) para a serpentina do ABS (pontos 11 e 12), como resultado, tem-se uma elevação da temperatura no ponto 12 (saída da serpentina do ABS). Outra recuperação de calor interna é observada no TCC, onde ocorre um fluxo de calor dos pontos 3 e 4 para os pontos 6 e 7. Essa troca de calor ocorre entre níveis de pressões diferentes, onde os pontos 3 e 4 estão em uma pressão de 12,78 bar e os pontos 6 e 7 estão em uma pressão de 4,88 bar. Com esse ganho de calor a solução no ponto 6 passa do estado de vapor saturado para o de vapor superaquecido no ponto 7. Esta mudança pode ser vista na Figura 8.5.
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A recuperação de calor interna que ocorre no RET não é de fácil visualização, pois esta ocorre no mesmo nível de pressão, 14,28 bar. No gráfico de Duhring (Figura 8.1) os pontos 15, 16 e 1 são: entrada do RET, retorno do RET para o GERA e saída do RET para o COND, respectivamente. Os pontos 10 e 11 são entrada e saída da serpentina do RET, respectivamente; observe que o ponto 11 sai com uma temperatura superior ao ponto 10, indicando um ganho de energia proveniente do fluxo de solução que está ocorrendo no RET, e como consequência, há uma condensação de parte da solução de amônia e água. Observa-se ainda, no gráfico em estudo, que a solução passa do lado de baixa pressão para o lado de alta pressão nos pontos de estados 9 e 10. Esse processo é indicado pela seta “Bomba”.
8.1.3.2 Estudo do SRA Através do Gráfico de Mistura Binária
Na Figura 8.2 é mostrado um gráfico da entalpia vs. fração mássica para mistura binária de amônia e água. No eixo das abscissas a fração mássica da amônia varia de 0 a 1, onde em 0 tem-se somente o componente água e em 1 tem-se somente o componente amônia. Nessas condições as propriedades das substâncias puras, para esses componentes, são válidas. Para valores entre 0 e 1 tem-se uma solução de amônia e água onde as propriedades da mistura devem ser calculadas utilizando a rotina de cálculo das propriedades da amônia NH3H20.
Como pode ser visto no Apêndice I e na Figura 6.1, os pontos de estados 12, 13, 15 e 16 fazem parte do volume de controle do GERA, onde os pontos 12 e 16 são pontos de entrada e os pontos 13 e 15 são pontos de saída do volume de controle. A solução que entra no GERA no ponto 12 está no estado de líquido sub-resfriado, enquanto a que entra no ponto 16 está no estado de líquido saturado. No ponto 13, a solução que sai do GERA está no estado de líquido saturado com baixo teor de amônia (solução pobre) e no ponto 15 a solução sai do GERA como vapor saturado (solução rica).
No volume de controle do RET o ponto de estado 15 é ponto de entrada e os pontos 1 e 16 são pontos de saída. No ponto 1, a solução de amônia e água sai no estado de vapor saturado. No interior do RET encontra-se a serpentina do RET em que os pontos 10 e 11 fazem parte desse volume de controle. O estado do ponto 10 (entrada do TSR) é de líquido sub-resfriado e do ponto 11 (saída do TSR) encontra-se no mesmo estado, só que um pouco mais aquecido (Figura 8.2).
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Figura 8.2 - Gráfico da solução de amônia e água para a pressão de 14,28 bar.
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No volume de controle do COND estão envolvidos os pontos 1 e 2. Neste volume de controle há um fluxo de calor para fora do sistema, acarretando a mudança de estado entre os pontos 1 e 2. No ponto 1, a solução se encontra no estado de vapor superaquecido e após a perda de calor sensível e latente a solução atinge o ponto 2 no estado líquido saturado (Figura 8.2).
Na Figura 8.3, os pontos de estados do volume de controle da VR 1 são mostrados (pontos 2 e 3). Nesse volume a primeira queda de pressão no sistema é observada. No ponto de estado 2, a solução está no estado de líquido saturado e passa para o estado de vapor úmido com qualidade de 1,67 % no ponto 3. Observa-se na Figura 8.3 que o ponto 3 está acima da linha de líquido saturado para a pressão de 12,78 bar.
No volume de controle do TCC os pontos de estados envolvidos são 3, 4, 6 e 7. De 3 para 4 há um resfriamento da solução, fazendo com que o ponto 4 fique no estado de líquido sub-resfriado (Figura 8.3), enquanto que de 6 para 7 há um aquecimento da solução, fazendo com que, no estado 7, a solução fique superaquecida. Observa-se na Figura 8.4 que o ponto de estado 7 está na região de vapor superaquecido.
No volume de controle da VR 2, os pontos 4 e 5 são a entrada e a saída do volume de controle, respectivamente. No ponto de estado 4 a solução está sub-resfriada, com relação a linha de líquido saturado para a pressão de 12,78 bar (Figura 8.6); na saída, ponto de estado 5, a solução se encontra no estado de vapor úmido, com qualidade de vapor de 1,48 % (Figuras 8.4 e 8.6), com relação a linha de líquido saturado para a pressão de 4,878 bar.
A Figura 8.5 mostra os pontos de estados do EVA (pontos 5 e 6), onde a mudança de estado da solução de amônia e água é perfeitamente percebida. No ponto de estado 5, a solução encontra-se no estado de vapor úmido e após um aquecimento sensível a solução começa a evaporar, chegando ao estado de vapor saturado no ponto 6.
Os pontos que fazem parte do volume de controle do ABS podem ser visualizados na Figura 8.5. Na Figura 6.1 e no volume de controle do ABS mostrado no Apêndice I, observa- se que os fluxos que se misturam neste componente são os provenientes dos pontos 7 e 14. Estes pontos, de acordo com a Figura 8.5, se encontram no estado de vapor superaquecido e vapor úmido com baixa qualidade (8,91 %), respectivamente, que ao se misturarem fornecem um fluxo de vapor úmido, no ponto de estado 8, com uma qualidade superior (24,07 %) e com concentração de amônia de 51,28 %. Nesse processo de mistura há uma geração de calor proveniente do processo de absorção da amônia pela água, fazendo com que a temperatura do ponto 8 se eleve. Salienta-se que no ABS o processo de absorção foi apenas iniciado, sendo concluído no ABTA.
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Figura 8.4 - Gráfico da solução de amônia e água para a pressão de 4,878 bar para os pontos de estados do evaporado e TCC.
Figura 8.5 - Gráfico da solução de amônia e água para a pressão de 4,878 bar para os pontos de estados do EVA, ABS e ABTA.
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Na Figura 8.2 pode-se verificar que parte do calor de mistura, gerado no ABS, foi usado para aquecer a solução que escoa no interior do TSA, sendo comprovado pelo aquecimento da solução que escoa no interior do TSA, pois no ponto de estado 11 a solução se encontra a uma temperatura de 42,31 °C e sai no ponto 12 com uma temperatura de 59,87 °C (Tab. (8.3)).
No volume de controle do ABTA os pontos de estados 8 e 9 estão envolvidos. Neste volume de controle o processo de absorção é concluído e o calor de reação é liberado para o ambiente. No ponto de estado 8, a solução se encontra na região de vapor úmido e após um processo de resfriamento, chega ao ponto de estado 9 como uma solução no estado de líquido saturado (Figura 8.5).
No processo de bombeamento a solução é levada da pressão de 4,878 bar para 14,28 bar. Nesse processo os pontos de estados envolvidos são 9 e 10, onde na saída da bomba o ponto 10 se encontra em um estado de líquido sub-resfriado, em relação a linha de líquido saturado para a pressão de 14,28 bar (Figura 8.6). No processo de bombeamento há um leve aquecimento da solução, pois a entalpia do ponto de estado 9 passou de – 73,59 kJ para – 72,05 kJ. Esta variação é tão pequena que os dois pontos parecem estar um sobre o outro no gráfico da Figura 8.6.
Figura 8.6 - Gráfico da solução amônia-água para dois níveis de pressões. Ênfase para os pontos de estados da bomba de solução (9 e 10) e VR 2 (4 e 5).
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Na Figura 8.6, os pontos de estados do volume de controle da VR 3 são mostrados (pontos 13 e 14). No ponto de estado 13, a solução se encontra no estado de líquido saturado, com relação a linha de líquido saturado para a pressão de 14,28 bar, e após o processo de estrangulamento, no ponto 14, a solução se encontra no estado de vapor úmido com qualidade de 8,91 % com relação a linha de líquido saturado para a pressão de 4,878 bar.
O coeficiente de performance (COP) para o sistema em estudo foi de 0,5734.