Refrigeração de ambientes por absorção utilizando energia solar térmica com ênfase na redução da carga do sistema elétrico nacional: uma alternativa à refrigeração por compressão mecânica de vapor
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Data
2017
Tipo de documento
Estudo de Caso
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Área do conhecimento
Engenharias
Modalidade de acesso
Acesso aberto
Editora
Autores
Lisboa, Bruno Koech
Orientador
Felippe, Luiz
Coorientador
Resumo
Sun delivers to the Earth atmosphere 1.53x1018 kWh per year, while the
world energetic consumption according to DOE/EIA in 2008 was 1.48x1014 kWh. In
this way, the solar energy that arrives to our planet is 10,000 times bigger than our
demand. A great part of this energy comes as light and heat. Light that can be
converted in electricity by photovoltaic panels by the photoelectric effect, meanwhile
with low efficiency, high expenses of implantation and sensible to high temperatures.
On the other hand, the solar thermal waves that reach the Earth, and are
directed to the suggested system object of this research, can convert into useful
energy with higher efficiency, lower cost of implantation when compared to
photovoltaic panels, and with the great advantage that as higher the temperature of
the collectors, bigger the energy conversion.
PROCEL (2005) says that 44% of electric energy from Brazilian homes
are used to bath water heating and air conditioning, transforming electricity, a noble
energy, in thermal energy.
Electricity, in general, is produced far from the consumer units and
involves large amount of resources to deliver this energy to final consumer. This
research aims to the rational use of electricity and also to reduce the needs of
transmission and distribution lines.
Electricity is straight associated to HDI, as the type of energy matrix
adopted in a country is another indicator of development, associating cleaner and
renewable matrices to developed countries, or in the way of development.
The question that targeted this quest was: “Which contributions this form
of energy can offer to the transformation for Brazilian energetic reality and why is that
belief?” In the way that the main goal of this paper is to point evidences that the use
of thermal solar energy can significantly contribute to two vectors of great
environmental impacts, which are the rational use of electrical energy and to reduce
the needs of building new transmission and distribution lines.
However the use of solar energy to heat water is a well-known and wellaccepted
technology, the use of heat to produce cold is not well-spread, besides
being a technology that precedes the mechanical steam compression and wellstudied.
There is no stimulus, neither from the government or society, to embrace the
idea of cooling with the Sun. Perhaps just unfamiliarity with the theme.
The main principle of this equipment consists in an absorber fluid and a
refrigerant in a homogeneous mix, with no interaction between them, which can be
separated by the action of heat, be it from the Sun or any other source of energy, in
refrigerant steam and liquid absorber. As soon as the refrigerant is alone, it passes
through a heat-exchanger to lose heat and condensate. As soon as the refrigerant
get in the liquid state it passes through a pressure reducing valve when occurs an
adiabatic expansion, reducing its temperature and allowing the formation of bubbles.
Then the fluid passes through another heat exchanger, the evaporator, and the
bubbles of refrigerant increase its development until the state of saturation as the
refrigerant removes heat from the environment to be refrigerated. The saturated
steam is then mixed with the absorber fluid that reduces its specific volume and
release heat. A pump pushes the solution to the higher pressure of the system and
the cycle restarts.
The system can use several mixes of refrigerant/absorber according to the
conditions of work and temperatures needed. The most common mixes are
“ammonia + water” and “water + lithium bromide”, in both cases the first component
is the refrigerant and the second, the absorber. During the development of this
technology, the mix of “ammonia + water” was widely used, but it lost space to “water
+ lithium bromide”, because it’s safer and more environment-friendly.
This research identifies a large market for this technology, in the field of
air-conditioning or refrigeration, and that special attention should be given to this
subject.
O Sol fornece à atmosfera da Terra 1,53x1018 kWh por ano, enquanto o consumo energético mundial em 2008 segundo a DOE/EIA dos Estados Unidos foi de 1,48x1014 kWh, ou seja, cerca de 10.000 vezes mais que toda a demanda energética do planeta. Grande parte desta energia chega a Terra em forma de calor e luz. Energia luminosa esta, pode ser convertida em eletricidade em painéis fotovoltaicos através do efeito fotoelétrico, entretanto com baixo rendimento, alto custo de implantação e sensível a altas temperaturas. As ondas térmicas oriundas do Sol, por sua vez, e que são aplicadas ao sistema proposto nesta pesquisa, podem se converter em energia útil com um maior rendimento e menor custo de implantação em comparação com um sistema fotovoltaico e com a vantagem de quanto maior a temperatura, maior a conversão de energia. O Centro PROCEL (2005) aponta que 44% da energia elétrica nas residências brasileiras são utilizadas para aquecimento de água para banho e condicionamento de ar. Desta forma, converte-se energia elétrica, energia nobre, em energia térmica. A energia elétrica geralmente é gerada longe das unidades consumidoras, somando-se a essa pesquisa além da vantagem do uso racional de energia, a redução da necessidade de construção de sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, sendo esta uma forma de geração de energia que se junta e fortalece ao movimento de geração distribuída. A energia elétrica está diretamente relacionada ao IDH, sendo o tipo de matriz energética adotada, outro indicador de desenvolvimento, associando-se matrizes limpas e renováveis aos indicadores de países mais desenvolvidos ou a caminho do desenvolvimento. A pergunta que motivou essa pesquisa foi: “Quais contribuições que essa forma de energia pode oferecer para a transformação da realidade energética brasileira e porque se acredita nisso?”. De modo que o objetivo central deste trabalho é apontar evidências de que a utilização da energia solar térmica pode contribuir de maneira significativa com dois vetores de grande impacto ambiental que são o uso racional de energia e a redução da necessidade de construção de redes de transmissão e distribuição. Utilizar o calor oriundo do Sol para esquentar água em residências já é um processo bem disseminado e de grande aceitação. Por sua vez, utilizar o calor como fonte de energia para separar um fluido do outro e aumentar sua entalpia, processo que, apesar de conhecido e dominado, não atraiu os olhares da população e dos governos, estes últimos responsáveis por conceder estímulos à utilização do refrigerador solar. O princípio deste equipamento consiste em um fluido absorvedor e de um fluido refrigerante que formam uma mistura líquida homogênea, sem interagir, que são separados pela atuação de calor, proveniente do Sol, ou outra fonte, em vapor do refrigerante e absorvedor líquido. O vapor de refrigerante passa pelo condensador, perde calor, e volta ao estado líquido. Na sequência sofre uma expansão adiabática, reduz sua temperatura e ocorre a formação de bolhas de vapor de refrigerante. Em seguida o fluido atravessa um trocador de calor que retira calor do ambiente e atinge o estado de vapor saturado. O líquido absorvedor neste momento se mistura novamente com o refrigerante, liberando calor e sendo bombeado novamente para a alta pressão, reiniciando o ciclo. Podem ser usadas várias misturas de refrigerante/absorvedor para o sistema. As mais comuns, entretanto, são “amônia + água” e “água + brometo de lítio”, sendo, em ambos os casos, o primeiro componente o refrigerante e o segundo, o absorvedor. A mistura “amônia + água” foi muito empregada durante o desenvolvimento desta tecnologia, entretanto por utilizar um gás nocivo à camada de ozônio, esta mistura foi substituída pelo brometo de lítio + água, mistura menos agressiva à natureza. Como resultado da pesquisa identificou-se um grande mercado consumidor para esta tecnologia, seja em aplicações de condicionamento de ambientes, ou em refrigeradores, e que, atenções governamentais e empresariais se fazem necessárias.
O Sol fornece à atmosfera da Terra 1,53x1018 kWh por ano, enquanto o consumo energético mundial em 2008 segundo a DOE/EIA dos Estados Unidos foi de 1,48x1014 kWh, ou seja, cerca de 10.000 vezes mais que toda a demanda energética do planeta. Grande parte desta energia chega a Terra em forma de calor e luz. Energia luminosa esta, pode ser convertida em eletricidade em painéis fotovoltaicos através do efeito fotoelétrico, entretanto com baixo rendimento, alto custo de implantação e sensível a altas temperaturas. As ondas térmicas oriundas do Sol, por sua vez, e que são aplicadas ao sistema proposto nesta pesquisa, podem se converter em energia útil com um maior rendimento e menor custo de implantação em comparação com um sistema fotovoltaico e com a vantagem de quanto maior a temperatura, maior a conversão de energia. O Centro PROCEL (2005) aponta que 44% da energia elétrica nas residências brasileiras são utilizadas para aquecimento de água para banho e condicionamento de ar. Desta forma, converte-se energia elétrica, energia nobre, em energia térmica. A energia elétrica geralmente é gerada longe das unidades consumidoras, somando-se a essa pesquisa além da vantagem do uso racional de energia, a redução da necessidade de construção de sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, sendo esta uma forma de geração de energia que se junta e fortalece ao movimento de geração distribuída. A energia elétrica está diretamente relacionada ao IDH, sendo o tipo de matriz energética adotada, outro indicador de desenvolvimento, associando-se matrizes limpas e renováveis aos indicadores de países mais desenvolvidos ou a caminho do desenvolvimento. A pergunta que motivou essa pesquisa foi: “Quais contribuições que essa forma de energia pode oferecer para a transformação da realidade energética brasileira e porque se acredita nisso?”. De modo que o objetivo central deste trabalho é apontar evidências de que a utilização da energia solar térmica pode contribuir de maneira significativa com dois vetores de grande impacto ambiental que são o uso racional de energia e a redução da necessidade de construção de redes de transmissão e distribuição. Utilizar o calor oriundo do Sol para esquentar água em residências já é um processo bem disseminado e de grande aceitação. Por sua vez, utilizar o calor como fonte de energia para separar um fluido do outro e aumentar sua entalpia, processo que, apesar de conhecido e dominado, não atraiu os olhares da população e dos governos, estes últimos responsáveis por conceder estímulos à utilização do refrigerador solar. O princípio deste equipamento consiste em um fluido absorvedor e de um fluido refrigerante que formam uma mistura líquida homogênea, sem interagir, que são separados pela atuação de calor, proveniente do Sol, ou outra fonte, em vapor do refrigerante e absorvedor líquido. O vapor de refrigerante passa pelo condensador, perde calor, e volta ao estado líquido. Na sequência sofre uma expansão adiabática, reduz sua temperatura e ocorre a formação de bolhas de vapor de refrigerante. Em seguida o fluido atravessa um trocador de calor que retira calor do ambiente e atinge o estado de vapor saturado. O líquido absorvedor neste momento se mistura novamente com o refrigerante, liberando calor e sendo bombeado novamente para a alta pressão, reiniciando o ciclo. Podem ser usadas várias misturas de refrigerante/absorvedor para o sistema. As mais comuns, entretanto, são “amônia + água” e “água + brometo de lítio”, sendo, em ambos os casos, o primeiro componente o refrigerante e o segundo, o absorvedor. A mistura “amônia + água” foi muito empregada durante o desenvolvimento desta tecnologia, entretanto por utilizar um gás nocivo à camada de ozônio, esta mistura foi substituída pelo brometo de lítio + água, mistura menos agressiva à natureza. Como resultado da pesquisa identificou-se um grande mercado consumidor para esta tecnologia, seja em aplicações de condicionamento de ambientes, ou em refrigeradores, e que, atenções governamentais e empresariais se fazem necessárias.
Palavras-chave
Sol, Absorção, Refrigeração