JOSÉ RUI CAMARGO SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO E EVAPORATIVO-ADSORTIVO APLICADOS AO CONDICIONAMENTO DE AR Tese apresentada à Faculdade de Engenhar ia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Doutor em Engenhar ia Mecânica na área de Transmissão e Conversão de Energia. Or ientador : Prof. Dr . Car los Daniel Ebinuma Guaratinguetá 2003 DADOS CURRICULARES JOSÉ RUI CAMARGO NASCIMENTO: 07.03.1955 – SÃO BENTO DO SAPUCAÍ – SP. FIL IAÇÃO: Ruy de Souza Camargo Wilma Pereira de Camargo 1973/1977 Curso de Graduação em Engenhar ia Mecânica Escola Federal de Engenhar ia de I tajubá – EFEI 1998/2000 Curso de Pós-Graduação em Engenhar ia Mecânica, nível de Mestrado na Universidade de Taubaté 2001/2003 Curso de Pós-Graduação em Engenhar ia Mecânica, nível de Doutorado na Faculdade de Engenhar ia do Campus de Guaratinguetá da UNESP PRODUÇÃO CIENTÍFICA NOS ÚLTIMOS 5 ANOS CARDOSO, S.; CAMARGO, J. R.; TRAVELHO, J. S. Introdução à utilização do resfriamento evaporativo para condicionamento de ar automotivo. Anais do XV Congresso Brasileiro de Engenhar ia Mecânica, COBEM99, Águas de Lindóia, SP, 1999. ABUD, M. J. M.; CAMARGO, J. R. Componentes de Ações Docentes para a Formação Científica e Social do Futuro Engenheiro Mecânico. Anais do XV Congresso Brasileiro de Engenhar ia Mecânica , COBEM99, Águas de Lindóia, SP, 1999. CAMARGO, J. R., 2000. Análise de métodos para avaliar a viabilidade técnica de sistemas de resfr iamento evaporativo aplicados ao condicionamento de ar para confor to. 2000. 106 f. Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Taubaté, Taubaté, SP, 2000. CAMARGO, J. R.; CARDOSO, S.; TRAVELHO, J. S. Utilização do resfriamento evaporativo para conforto térmico humano em diversas cidades brasileiras. Anais do Congresso Nacional de Engenhar ia Mecânica, CONEM 2000, Natal, RN, 2000. CAMARGO, J. R.; CARDOSO, S.; TRAVELHO, J. S. Condicionamento de ar por resfriamento evaporativo. Anais do 9º Congreso Chileno de Ingenier ía Mecánica, IV Congresso Nacional de Energia, COCIM-CONAE 2000, Valparaíso, Chile, 2000. ABUD, M. J. M.; CAMARGO, J. R. O Projeto pedagógico e a ação docente. Anais do XVI I I Congresso Brasileiro de Ensino de Engenhar ia, COBENGE 2000, UFOP, Ouro Preto, MG, 2000. CAMARGO, J. R., CARDOSO, S., TRAVELHO, J. S. Temperatura de projeto para condicionamento de ar – uma nova proposta. Anais do 8th Brazilian Congress of Thermal Engineer ing and Sciences, ENCIT 2000, Porto Alegre, RS, 2000. CAMARGO, J. R.; EBINUMA, C. D. Resfriamento evaporativo: poupando a energia e o meio ambiente. Anais da Jornada de Iniciação Científica e de Pós-Graduação, JORNADA 2001, UNESP/FEG, Guaratinguetá, SP, 2001. CAMARGO, J. R.; FARIA, M. P. Impacto do Aquecimento Global em Sistemas de Condicionamento de Ar. Anais do Congresso Brasileiro de Refr igeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento, CONBRAVA, São Paulo, SP, 2001. CAMARGO, J. R.; EBINUMA, C. D. Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo Acoplados a Desumidificadores Dessecantes para Diversas Cidades Brasileiras. Anais do Congresso Nacional de Engenhar ia Mecânica, CONEM 2002, UFPB, João Pessoa, PB, 2002. CAMARGO, J. R. EBINUMA, C. D. A mathematical model for direct and indirect evaporative cooling air conditioning systems. Anais do 9th Brazilian Congress of Thermal Engineer ing and Sciences, Caxambú, MG, 2002. CAMARGO, J. R.; EBINUMA, C. D. Desumidificação dessecante: características de alguns sistemas e substâncias utilizadas. Anais da Jornada de Iniciação Científica e de Pós- Graduação, JORNADA 2002, UNESP/FEG. Guaratinguetá, SP, 2002. CAMARGO, J. R.; EBINUMA, C. D.; Influência dos parâmetros de operação em sistemas de resfriamento evaporativo com pré-desumidificação por adsorção. In: Feira e Congresso de Ar Condicionado, Refr igeração, Aquecimento e Ventilação do Mercosul – MERCOFRIO 2002, Florianópolis, SC, 2002. GODOY JR, E.; SILVEIRA, J. L.; CAMARGO, J. R.; CARROCCI, L. R.; GIACÁGLIA, G.E.O. Biodigestores asociados a sistema de cogeration para o aproveitamento do biogás producido a partir de resíduos de suinocultura. Anais do Decimo Congreso Chileno de Ingenier ia Mecânica, Santiago, Chile, 2002. CAMARGO, J. R.; CUNHA, C. M. Metodologia de projeto de um laboratório para o setor farmacêutico no padrão ISO. Anais do I I I Congresso Interamer icano de Qualidade do Ar , Canoas, RS, 2003. CAMARGO, J. R.; EBINUMA, C. D.; SILVEIRA, J. L. Thermoeconomic analysis of an evaporative desiccant air conditioning system. Applied Thermal Engineer ing, 23 (2003), 2003. p.1537-1549. À minha mãe Wilma, à minha esposa Miriam e aos meus filhos Rodrigo, Mariana e Tatiane. AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Carlos Daniel Ebinuma, pela orientação precisa, pelo acompanhamento, pela ajuda na condução deste trabalho e, principalmente, pela amizade, Ao prof. Dr. José Luz Silveira, pelo incentivo constante, A todos os professores do Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá pela dedicação e empenho na transmissão de seus conhecimentos, Aos membros da banca de qualificação e de defesa pelas sugestões quanto à apresentação deste trabalho, À Pró-reitoria de Pesquisa e Pós-graduação da Universidade de Taubaté, pela concessão de bolsa de estudo - Proc. no MEC-298/00, Ao Sr. Zsolt Makray, da Viva Equipamentos Comercial Ltda., por ter, gentil e prontamente, cedido o equipamento de resfriamento evaporativo para os testes de desempenho. Ao Eduardo, Rosana e Valesca, pela colaboração e assessoria computacional, Às secretárias da Pós-graduação e às funcionárias da biblioteca, tanto da UNITAU quanto da FEG, pelo pronto atendimento, Ao meu filho Rodrigo pela preciosa colaboração na produção dos desenhos e dos diagramas, Às minhas filhas Mariana e Tatiane, pela inspiração, À Miriam, minha esposa, pela dedicação, paciência e amor. CAMARGO, J. R. Sistemas de resfr iamento evaporativo e evaporativo-adsor tivo aplicados ao condicionamento de ar . 2003. 140f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2003. RESUMO O resfriamento evaporativo consiste na utilização da evaporação da água através da passagem de um fluxo de ar, provocando a redução na temperatura do ar e, apesar de utilizarem tecnologia relativamente simples, ainda são pouco utilizados para o condicionamento de ar em regiões de clima úmido. Este trabalho realiza um estudo dos potenciais e limitações de sistemas de condicionamento de ar por resfriamento evaporativo e evaporativo-adsortivo quando utilizados com o objetivo de propiciar conforto térmico ao homem e reduzir o consumo de energia. Apresenta-se, inicialmente, o princípio de funcionamento de sistemas de resfriamento evaporativo e de desumidificadores por adsorção. A seguir, apresentam-se os resultados dos ensaios de desempenho realizados em um resfriador evaporativo direto e propõe-se um novo sistema a ser utilizado em regiões em que as condições de conforto não podem ser supridas pelo resfriamento evaporativo somente. Estuda-se a aplicação desses sistemas a diversas cidades, caracterizadas por diferentes condições climáticas e conclui-se que os sistemas de resfriamento evaporativo acoplados a um desumidificador adsortivo apresentam perspectivas promissoras, principalmente para aplicação em condicionamento de ar onde existem fontes de calor de baixo custo ou calor residual disponível. A análise das condições do ar de insuflamento demonstra a viabilidade da utilização do sistema proposto para conforto térmico humano em regiões de clima úmido como uma alternativa aos sistemas convencionais de condicionamento de ar, poupando energia e protegendo o meio ambiente. PALAVRAS-CHAVE: Resfriamento evaporativo, Desumidificação por adsorção, Conforto térmico. CAMARGO, J. R. Evaporative and desiccant cooling systems applied to air conditioning. 2003. 140f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2003. ABSTRACT Evaporative cooling consists in using water evaporation through the passage of an air flow, thus decreasing the air temperature. In spite of using simple technology, it is seldon used for air conditioning in humid climate regions. This thesis develops a methodology that can be used to establish potentials and limitations of air conditioning systems by evaporative and desiccant cooling when used for human thermal comfort and lower power consumption. Firstly, the operational principles of evaporative cooling and dehumidification by adsorption systems are presented. Next, the results of performance tests developed on a direct evaporative cooler are described. Finally, a new system to be used in regions where the thermal comfort conditions cannot be supplied only by evaporative cooling is proposed. The applications of this system in several cities, characterized by different climate conditions are studied. It concluded that evaporative cooling systems coupled to a dehumidification adsorption system present promising perspectives, mainly to low cost air conditioning applications where residual heat sources are available. The analysis of the supply air conditions shows the feasibility of the proposed system for human thermal comfort in humid climates as an alternative to conventional air conditioning systems, saving energy and protecting the environment. KEYWORDS: Evaporative cooling, Desiccant dehumidification, Thermal comfort. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1.1 - Resfriador evaporativo direto (RED) 21 FIGURA 1.2 - Resfriador evaporativo indireto: (a) tipo placa, (b) tipo tubo 22 FIGURA 1.3 - Resfriador evaporativo tipo spray com circulação constante de água 22 FIGURA 1.4 - Resfriamento evaporativo direto 23 FIGURA 1.5 - Resfriamento evaporativo indireto 24 FIGURA 1.6 - Resfriamento evaporativo em dois estágios: indireto/direto 24 FIGURA 1.7 - Resfriamento evaporativo em três estágios 25 FIGURA 1.8 - Resfriador em três estágios 25 FIGURA 1.9 - Resfriamento evaporativo com pré-desumidificação por adsorção 26 FIGURA 1.10 - Célula evaporativa (GLACIER-COR, 1999) 27 FIGURA 1.11 - Ciclo dessecante 32 FIGURA 1.12 - Desumidificador tipo torre 36 FIGURA 1.13 - Desumidificador tipo cilindro rotativo 37 FIGURA 1.14 - Configurações de sistemas evaporativos para condicionamento de ar 44 FIGURA 1.15 - Resfriamento evaporativo com pré-desumidificação 49 FIGURA 1.16 - Sistema utilizado por Shen e Worek (1996) 51 FIGURA 1.17 - Sistema utilizado por Belding e Delmas (1997) 51 FIGURA 1.18 - Sistema utilizado por Jalalzadeh-Azar (2000) 52 FIGURA 1.19 - Sistema utilizado por Vineyard et al (2000) 52 FIGURA 1.20 - Sistema utilizado por Jain et al (2000b) 53 FIGURA 1.21 - Sistema utilizado por Zhenqian e Mincheng (2000) 54 FIGURA 2.1 - Carta de conforto ASHRAE (CAMARGO, 2000) 56 FIGURA 2.2 - Zonas de conforto ASHRAE. (a) representa a zona de conforto para inverno e verão de acordo com a temperatura efetiva e (b) representa a mudança relativa da zona de conforto para o resfriamento evaporativo (CAMARGO, 2000) 57 FIGURA 2.3 - Delimitação da região de onde é possível atingir a zona de conforto por resfriamento evaporativo 58 FIGURA 2.4 - Variação anual de temperatura 61 FIGURA 2.5 - Temperatura efetiva para um dia mensal típico (mês mais quente) 63 FIGURA 2.6 - Resfriador evaporativo direto (Viva Equipamentos) 64 FIGURA 2.7 - Temperaturas médias 66 FIGURA 2.8 - Sensação térmica e temperatura ambiente 67 FIGURA 2.9 - Temperaturas efetivas médias 68 FIGURA 2.10 - Temperaturas de bulbo seco, úmido, da água e do painel 69 FIGURA 2.11 - Efetividade x TBS externa 70 FIGURA 2.12 - Efetividade x UR externa 70 FIGURA 2.13 - Efetividade x velocidade do ar 71 FIGURA 2.14 - Potência consumida x vazão 73 FIGURA 2.15 - Fluxos de ar de processo e de reativação 74 FIGURA 2.16 - Influência dos fluxos do ar de reativação e do ar de processo 76 FIGURA 2.17 - Influência da temperatura de reativação 79 FIGURA 2.18 - Capacidade de adsorção em função do tempo 83 FIGURA 2.19 - Capacidade de adsorção em função da umidade relativa 83 FIGURA 3.1 - Sistema de resfriamento evaporativo acoplado a um desumidificador 85 FIGURA 3.2 - Diagrama psicrométrico com as zonas de conforto e as condições externas de projeto para Belém (A), Brasília (B), Campo Grande (C), Manaus (D), Rio de Janeiro (E), Terezina (F), São Luiz (G) e São Paulo (H) 89 FIGURA 3.3 - Diagrama esquemático do sistema proposto 89 FIGURA 3.4 - Processos psicrométricos para o sistema proposto 90 FIGURA 3.5 - Temperatura de reativação x potência de reativação 94 FIGURA 3.6 - Temperatura de reativação x capacidade de resfriamento 94 FIGURA 3.7 - Temperatura de reativação x coeficiente de desempenho (COP) 95 FIGURA 3.8 - Temperatura de reativação x temperatura e umidade absoluta 95 FIGURA 3.9 - Temperatura de reativação x eficiência da 2ª Lei da Termodinâmica 96 FIGURA 3.10 - Fluxograma do programa SISREAD 97 FIGURA 3.11 - Diagrama físico 99 FIGURA 3.12 - Diagrama funcional termoeconômico 101 FIGURA 3.13 - Variação do custo em função da área condicionada 107 LISTA DE TABELAS TABELA 1.1 - Classificação do tamanho dos poros 30 TABELA 2.1 - Sensação de resfriamento equivalente 72 TABELA 2.2 – Influência da velocidade do ar na temperatura de insuflamento e na sensação de resfriamento equivalente (SRE) 72 TABELA 2.3 - Condições termodinâmicas dos fluxos de ar 75 TABELA 2.4 - Influência da umidade do ar de reativação no ar de processo 80 TABELA 3.1 - Propriedades termodinâmicas do ar de insuflamento e de reativação para São Paulo 91 TABELA 3.2 - Condições externas e de insuflamento para diversas cidades 91 TABELA 3.3 - Temperatura e umidade do ar de processo na saída do desumidificador 92 TABELA 3.4 - Custos dos ventiladores 105 TABELA 3.5 - Custos das bombas de aspersão 106 TABELA 3.6 - Fluxos de massa e vazão de água 108 TABELA 3.7 - Custo total da água 109 TABELA 3.8 - Propriedades termodinâmicas na entrada e saída de cada unidade 110 TABELA 3.9 - Propriedades termodinâmicas para os três casos 110 TABELA 3.10- Potência elétrica dos ventiladores e de reativação 111 TABELA 3.11- Funções de incremento exergético 112 TABELA 3.12- Custos de investimentos 113 TABELA 3.13- Custo de Manufatura Exergético 114 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ABRAVA Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento ARI American Refrigerating Institute ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers CME Custo de Manufatura Exergético COP coeficiente de desempenho DD desumidificador dessecante ID índice de desempenho NTU número total de unidades de transferência de calor PMV Predicted Mean Vote r retorno RED resfriador evaporativo direto REI resfriador evaporativo indireto RPH rotação por hora rpm rotação por minuto REIR resfriador evaporativo indireto regenerativo SRE sensação de resfriamento equivalente TC trocador de calor TE temperatura efetiva LISTA DE SÍMBOLOS C custo do equipamento US$ Ca calor específico a pressão constante do ar seco kJ/kg K cf fator de conversão US$/euro CF fator de custo [1] CAR custo de produção do ar frio US$/kWh Cel custo da eletricidade US$/kWh Cgas custo do gás US$/m3 CENERGIA custos da energia US$ Cpv calor específico a pressão constante do vapor d´água kJ/kg K CBOMBA custo das bombas US$ CREF custo do equipamento de referência US$ CVENT custo do ventilador US$ CME custo de manufatura exergético US$/ano COP coeficiente de desempenho [1] Cp calor específico à pressão constante kJ/kg K e exergia específica kJ/kg EVENT potência elétrica do ventilador kW EREAT potência de reativação kW f fator de anuidade 1/ano Fi constantes da equação da pressão de saturação de vapor [1] F.P. ar frio produzido kW H período equivalente de utilização h/ano h entalpia específica kJ/kg Ipl investimento total na planta US$ Ides investimento no desumidificador US$ Ires investimento nos resfriadores evaporativos US$ Ivent investimento nos ventiladores US$ Ibomba investimento nas bombas US$ H altitude acima do nível do mar m L calor latente de vaporização kJ/kg m massa kg ARm� fluxo mássico do ar kg/s Pm� fluxo mássico do ar de processo kg/s Rm� fluxo mássico do ar de reativação kg/s RETm� fluxo mássico do ar de retorno kg/s EXTm� fluxo mássico do ar externo kg/s ÁGUAm� fluxo mássico de água kg/s n rotação rps nS rotação específica rpm P pressão kPa Pv pressão de vapor kPa Pa pressão parcial do ar seco kPa Pvs pressão de saturação de vapor à TBS kPa Pswb pressão de saturação de vapor à TBU kPa PR potência de reativação kW Q vazão em volume m3/s QR potência de aquecimento para reativação kW R/P relação ar de reativação/ ar de processo [1] s entropia específica kJ/kg K T temperatura oC Tn temperatura de neutralidade térmica oC Treat temperatura de reativação oC TBS temperatura de bulbo seco oC TBU temperatura de bulbo úmido oC TE temperatura efetiva oC UR umidade relativa [1] V volume m3 v velocidade m/s x porcentagem de ar [1] w umidade específica kgágua/kgar Y função de incremento exergético kW LETRAS GREGAS εd efetividade do resfriador evaporativo direto (saturação) [1] εI efetividade do resfriador evaporativo indireto [1] γ coeficiente auxiliar na Equação (3.5) kPa/ K � eficiência [1] � massa específica kg/m3 � trabalho específico J/kg SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS 09 LISTA DE TABELAS 11 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 12 LISTA SÍMBOLOS 13 CAPÍTULO 1 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO E DESUMIDIFICADORES ADSORTIVOS 1.1 INTRODUÇÃO 19 1.2 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO 20 1.2.1 Tipos de resfr iadores evaporativos 20 1.2.2 Sistemas e processos psicrométr icos 23 1.2.3 Sistema evaporativo com pré-desumidificação 25 1.2.4 Mater iais empregados nas células evaporativas 26 1.3 DESUMIDIFICAÇÃO POR ADSORÇÃO 28 1.3.1 O fenômeno da adsorção 29 1.3.2 Ciclo dessecante 32 1.3.3 Pr incipais tipos de dessecantes 33 1.3.4 Vida útil do dessecante 35 1.3.5 Tipos de desumidificadores 35 1.4 O ESTADO DA ARTE 37 1.4.1 Sistemas de resfr iamento evaporativo 37 1.4.2 Sistemas com pré-desumidificação por adsorção 49 CAPÍTULO 2 DESEMPENHO DE UM RESFRIADOR EVAPORATIVO DIRETO 2.1 ZONAS DE CONFORTO TÉRMICO 55 2.2 MÉTODOS PARA AVALIAR OS SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO 59 2.3 DESEMPENHO DE UM RESFRIADOR EVAPORATIVO DIRETO 63 2.3.1 Curvas de var iação da temperatura 65 2.3.2 Estimativa da condição de neutralidade térmica 66 2.3.3 Temperatura média efetiva das salas 68 2.3.4 Desempenho do resfr iador evaporativo 69 2.4 DESEMPENHO DE UM DESUMIDIFICADOR ADSORTIVO 73 2.4.1 Var iáveis de operação de um desumidificador por adsorção 73 CAPÍTULO 3 RESFRIADORES EVAPORATIVOS ACOPLADOS A UM DESUMIDIFICADOR ADSORTIVO – SISTEMA PROPOSTO 3.1 CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA 84 3.2 PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 85 3.3 ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO 90 3.4 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE SISREAD 96 3.5 ANÁLISE TERMOECONÔMICA DO SISTEMA PROPOSTO 98 3.5.1 Sistema utilizado: diagrama físico 98 3.5.2 Parâmetros pré-definidos 99 3.5.3 Custo de manufatura exergético 100 3.5.4 Diagrama funcional 101 3.5.5 Funções de incremento exergético 102 3.5.6 Equações de custo termoeconômico 103 3.5.7 Custos de energia 107 3.5.8 Análise termoeconômica 110 CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 ANÁLISE DOS MÉTODOS PARA AVALIAR A VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DOS SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO 115 4.2 INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO NO DESEMPENHO DO DESUMIDIFICADOR 116 4.3 ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UM RESFRIADOR EVAPORATIVO DIRETO 117 4.4 ANÁLISE DO DESEMPENHO DO SISTEMA EVAPORATIVO-ADSORTIVO PROPOSTO 118 4.5 COMPARAÇÃO DO SISTEMA PROPOSTO COM OUTROS SIMILARES 119 4.6 RESULTADOS DA ANÁLISE TERMOECONÔMICA 121 CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES 122 REFERÊNCIAS 124 APÊNDICES CAPITULO 1 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO E DESUMIDIFICADORES ADSORTIVOS 1.1 INTRODUÇÃO O condicionamento do ar contribui tanto para o aumento da eficiência do homem no trabalho quanto para seu conforto, principalmente nos períodos mais quentes do ano. Atualmente o sistema de refrigeração mais utilizado para esse fim é o sistema por compressão de vapor. No entanto, o resfriamento evaporativo pode ser uma alternativa econômica em muitos casos, podendo substituir o sistema convencional sob inúmeras condições ou ser utilizado como pré-resfriador no sistema convencional. Isso leva a uma minimização dos custos de operação dos sistemas que utilizam a refrigeração mecânica somente. Os sistemas de resfriamento evaporativo, apesar de utilizarem tecnologia relativamente simples, são ainda muito pouco utilizados em regiões de clima tropical, como o Brasil. O objetivo deste trabalho é contribuir para o melhor entendimento desses sistemas, seus potenciais e limitações e estudar o desempenho tanto do resfriamento evaporativo quanto de um sistema evaporativo-adsortivo quando utilizados para: a) propiciar conforto térmico ao homem, b) melhorar a qualidade e o controle do ar interior e c) reduzir o consumo de energia. Neste capítulo apresentam-se os principais tipos de resfriadores evaporativos (direto e indireto) e sistemas acoplados; trata-se dos materiais empregados em células evaporativas; apresenta-se uma descrição das aplicações e características dos desumidificadores adsortivos e, ainda, do fenômeno da adsorção e do ciclo dessecante e é feita uma revisão bibliográfica destacando os trabalhos publicados no Brasil e no exterior, que tratam do assunto. No Capítulo 2 são desenvolvidos métodos que permitem avaliar a possibilidade de utilização dos sistemas evaporativos em função das condições climáticas do local, apresentam-se os resultados dos ensaios de desempenho de um equipamento de resfriamento evaporativo direto (com as curvas de variação de temperatura, a estimativa da condição de neutralidade térmica, o desempenho térmico da sala condicionada e curvas de desempenho do próprio resfriador) e faz-se uma análise dos principais parâmetros que afetam o desempenho dos desumidificadores por adsorção. No capítulo 3 apresenta-se uma proposta de um sistema evaporativo-adsortivo que permite obter conforto térmico em condições não supridas somente pelos resfriadores 20 evaporativos e é feita uma análise dos parâmetros de operação do sistema. Faz-se uma análise energética e exergoeconômica (análise termoeconômica do sistema proposto quando operando em três diferentes condições de temperatura e fluxos de ar) e apresenta-se o software SISREAD, desenvolvido para o sistema proposto. O Capítulo 4 apresenta resultados e discussões e o Capítulo 5 os comentários finais e conclusões. A grande contribuição deste trabalho é o estudo sistemático da aplicação de sistemas de resfriamento evaporativo ao condicionamento de ar para conforto térmico humano e a proposta de um sistema evaporativo-adsortivo a ser utilizado em regiões onde as condições climáticas não permitem a utilização de sistemas evaporativos somente. 1.2 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO O resfriamento evaporativo é um processo de resfriamento que utiliza a evaporação de água para resfriar uma corrente de ar. Assim, neste sistema, os fluidos de trabalho são o ar e a água. Esse processo possui como principal característica o fato de ser mais eficiente quando as temperaturas são mais elevadas, ou seja, quando a necessidade de resfriamento é maior para o conforto humano. Além disso, em regiões secas, o aumento da umidade é benéfico e, em outras regiões, com a umidificação do ar insuflado, este deixa de causar o desconfortável ressecamento que os sistemas convencionais proporcionam. O resfriamento evaporativo tem ainda como atrativos o baixo consumo de energia, facilidades de manutenção, instalação e operação. Por não utilizar gases CFC ou HFC não agride o meio ambiente. Por ser um sistema que opera com renovação total do ar, elimina-se a recirculação e a proliferação de fungos e bactérias, problema constante nos sistemas convencionais de condicionamento de ar. 1.2.1 Tipos de resfr iadores evaporativos Os equipamentos de resfriamento evaporativo podem ser de refrigeração evaporativa direta (RED) ou de refrigeração evaporativa indireta (REI). Equipamentos de refrigeração direta resfriam um gás por contato direto ou com uma superfície líquida ou com uma superfície sólida molhada ou, ainda, através de sprays. A Figura 1.1 mostra, esquematicamente, um resfriador evaporativo direto. 21 Neste equipamento água é vaporizada dentro da corrente de ar e o calor e massa transferidos entre o ar e a água reduzem a temperatura de bulbo seco (TBS) do ar e aumentam sua umidade, mantendo constante a entalpia (resfriamento adiabático). No RED não há resfriamento real (redução na entalpia) e a mínima temperatura que se pode atingir é a de bulbo úmido do ar que entra no sistema. É possível obter menores temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido na saída mas, para isso, a água recirculada que supre o equipamento deve ser resfriada anteriormente. O arranjo reduz os custos de operação entre 25% a 40% quando comparado aos custos de refrigeração mecânica somente (ASHRAE, 1995). Ar quente Ventilador Célula Evaporativa Aspersor de Água Reservatório Ar Frio Figura 1.1 – Resfriador evaporativo direto (RED) Um avanço na tecnologia do resfriamento evaporativo deve-se à introdução dos equipamentos de resfriamento evaporativo indireto (REI), nos quais o ar, relativamente seco, é mantido separado do ar do lado molhado, onde o líquido está sendo evaporado. A Figura 1.2 mostra dois tipos de sistemas de resfriamento evaporativo indireto: tipo placa (Figura1.2a) e tipo tubo (Figura1.2b). No resfriador evaporativo indireto (REI), o ar que será utilizado para condicionar o ambiente (ar primário) transfere calor ou para uma corrente de ar secundária ou para um líquido, que foram resfriados evaporativamente. A entalpia do ar do lado seco é, assim, reduzida, em contraste à redução adiabática de temperatura de um refrigerador evaporativo direto. 22 Figura 1.2 – Resfriador evaporativo indireto: (a) tipo placa, (b) tipo tubo 1.2.1.1 Efetividade A efetividade ou eficiência de saturação ( dε ) de um resfriador evaporativo direto é definida como a taxa entre a queda real da temperatura de bulbo seco e a máxima queda teórica que a TBS poderia ter se o resfriador fosse 100% eficiente e o ar saísse saturado. Neste caso, TBS na saída seria igual à TBU do ar na entrada (TRANE, 1978). A efetividade é definida como: ee se d TBUTBS TBSTBS − − =ε (1.1) onde os índices e e s correspondem à entrada e saída, respectivamente. A Figura 1.3 ilustra o que ocorre com as temperaturas de bulbo seco (TBS), de bulbo úmido (TBU) e de ponto de orvalho (TPO) quando o ar passa através de um resfriador evaporativo direto. Resfriador Ideal Estado Final do Ar Estado Inicial do Ar Fluxo de Ar Figura 1.3 – Resfriador evaporativo tipo spray com circulação constante de água 23 A efetividade de um resfriador indireto ( dε ) é função das temperaturas do ar primário na entrada e saída e da temperatura da água (que é, teoricamente, a temperatura de saturação do ar secundário) e é apresentada por Camargo e Ebinuma (2002a) como sendo: wpe pspe i TTBS TBSTBS − − =ε (1.2) onde εi é a efetividade da unidade indireta (ASHRAE, 1995) e os índices pe, ps e w correspondem, respectivamente, à entrada do ar primário, à saída do ar primário e à temperatura da água. 1.2.2 Sistemas e processos psicrométr icos A Figura 1.4 mostra, na carta psicrométrica, o processo que ocorre quando o ar passa por um resfriador evaporativo direto ideal. A maioria dos novos resfriadores evaporativos comerciais atingem cerca de 80% de saturação. Teoricamente o processo ocorre à entalpia constante mas, num processo real, a entalpia sofre variação. Figura 1.4 – Resfriamento evaporativo direto A Figura 1.5 apresenta o processo para um resfriador evaporativo indireto. Sistemas de resfriamento evaporativo indireto poupam entre 60% e 75% do custo total de operação quando comparado ao da refrigeração mecânica para produzir o mesmo efeito de resfriamento (ASHRAE, 1984). 24 De acordo com a definição de efetividade apresentada na Equação 1.2, a temperatura de bulbo seco do ar primário na saída do estágio evaporativo indireto é dada por: )TTBS(-TBSTBS wpeipeps −ε= (1.3) Figura 1.5 Resfriamento evaporativo indireto Sistemas combinados podem envolver ambos os princípios de resfriamento: direto e indireto. A Figura 1.6 mostra um RED acoplado a um REI e o respectivo processo psicrométrico. Assim: )TBU(TBS-TBSTBS sdsidsisd −ε= (1.4) onde εd é a efetividade da unidade direta e os índices sd e si correspondem, respectivamente, à saída do estágio direto e à saída do estágio indireto. Figura 1.6 – Resfriamento evaporativo em dois estágios: indireto/direto Quando somente o resfriamento evaporativo não é suficiente para atingir a condição final desejada pode-se utilizar um estágio auxiliar com refrigeração mecânica por expansão direta 25 ou água gelada (resfriamento de apoio) e, assim, tem-se um sistema com três estágios: indireto/refrigeração mecânica/direto. A Figura 1.7 ilustra esse sistema. Neste caso o processo 1-2 corresponde ao REI, o processo 2-3 corresponde à refrigeração mecânica (sistema por compressão de vapor) e o processo 3-4 a um RED. Figura 1.7 – Resfriamento evaporativo em três estágios A Figura 1.8 mostra, esquematicamente, os equipamentos componentes de um resfriador evaporativo de 3 estágios (indireto/apoio/direto) onde a serpentina do resfriamento de apoio (auxiliar) está colocada antes da unidade direta . Figura 1.8 – Resfriador em três estágios 1.2.3 Sistema evaporativo com pré-desumidificação A tecnologia de sistemas de resfriamento evaporativo, acoplados a desumidificadores por adsorção tem emergido recentemente como uma alternativa ou como um complemento aos sistemas de refrigeração por compressão de vapor convencionais. Um sistema típico combina 1. Ventilador (corrente de ar primário) 2. Resfriador evaporativo indireto 3. Serpentina de resfriamento auxiliar 4. Resfriador evaporativo direto 5. Corrente de ar secundário 26 o sistema de desumidificação, que utiliza um cilindro rotativo impregnado de material dessecante, com resfriadores evaporativos diretos e indiretos, permitindo o fornecimento de ar filtrado e resfriado em condições de temperatura, umidade e velocidade que propiciam conforto térmico ambiental, mesmo em regiões de clima equatorial e tropical como o Brasil. A Figura 1.9 ilustra tal sistema. Esses sistemas levam a uma grande economia de energia, principalmente onde existem fontes de energia térmica facilmente disponíveis, onde o preço da eletricidade é alto, onde a carga de calor latente é alta ou onde a temperatura de ponto de orvalho requerida é baixa (CAMARGO; EBINUMA, 2002b). Figura 1.9 – Resfriamento evaporativo com pré-desumidificação por adsorção Em qualquer destas situações, o custo de utilização de um sistema de resfriamento por compressão de vapor pode ser muito alto e um processo dessecante pode oferecer vantagens consideráveis em termos de gastos com energia, custo inicial do equipamento e manutenção. Uma outra vantagem de um sistema dessecante é a capacidade de reter mais que simplesmente vapor de água, podendo remover bactérias e vapores orgânicos da corrente de ar, melhorando, assim, a qualidade do ar interior. Este assunto será tratado no item 1.3 e nos subseqüentes. 1.2.4 Mater iais empregados nas células evaporativas Os materiais comumente empregados nos enchimentos dos resfriadores evaporativos são a fibra de vidro, celulose impregnada com resina, polipropileno e fibra de madeira. O enchimento, além de promover a evaporação da água pelo ar, também atua como um filtro, retendo partículas acima de 3 micra (GLACIER-COR, 1999). Muitos fabricantes de lavadores de ar têm produzido modernas células evaporativas e enchimentos de celulose (vide Figura 1.10), que possuem grande eficiência. Essas células 27 possuem grande área de superfície molhada em contato com a corrente de ar e apresentam pequena perda de carga. Neste caso, requer-se pouca água para molhar a superfície e o tamanho do reservatório pode ser diminuído (ASHRAE, 1996). Strobel; Stowell e Short (1999) apresentam tabelas para a determinação dos fluxos de água, da capacidade do reservatório e da velocidade do ar para diversos tipos de células evaporativas. Acrescentam que a vida útil dos materiais das células pode ser aumentada utilizando técnicas de controle de algas, lavando constantemente o reservatório e a própria célula, não utilizando produtos químicos que atacam os materiais e sangrando a água de retorno. Os equipamentos de resfriamento evaporativo direto da Munters (1999) utilizam 100% de ar externo e este ar é constantemente filtrado (90% de eficiência para partículas até 10 micras) pelo processo de lavagem contínua. O ar é resfriado e umidificado pela água através de células evaporativas fabricadas com material celulósico altamente higroscópico, tratado quimicamente para evitar o apodrecimento e a decomposição ou com um material composto de fibra de vidro resistente à água e anti-chamas. Além de resfriarem o ar à temperaturas próximas à de bulbo úmido levam em consideração o efeito da movimentação do ar o que proporciona uma sensação de queda de temperatura entre 2oC e 3oC adicionalmente à temperatura efetivamente reduzida pelo resfriador evaporativo. Em instalações localizadas no Estado de São Paulo, onde a temperatura média máxima de bulbo úmido é de 24oC conseguem-se reduções da temperatura de bulbo seco de insuflamento do ar da ordem de 6oC a 8oC (a eficiência varia de 80% a 90%). Figura 1.10 - Célula evaporativa (GLACIER-COR, 1999) 28 O dimensionamento das grelhas de insuflamento deve objetivar velocidades finais, na altura da área de ocupação entre 0,7 m/s e 1,0 m/s para que o fluxo de ar provoque a sensação adicional de queda de temperatura pela velocidade. Para um sistema efetivo o número de trocas de ar por hora deverá ser de 15 a 30, ou seja, o sistema deverá promover a troca de todo o volume de ar do ambiente tratado a cada 2 a 4 minutos. Além disso, para que não haja arraste de água e para que a perda de carga seja minimizada a velocidade através da célula evaporativa está na ordem de 2 m/s e, neste caso, a perda de carga é aproximadamente de 2 a 3 mm.c.a.. 1.3 DESUMIDIFICAÇÃO POR ADSORÇÃO Adsorção é o termo usado para descrever o fenômeno no qual moléculas de um fluido concentram-se espontaneamente sobre uma superfície sólida. Este fenômeno ocorre como resultado de forças não balanceadas agindo entre a superfície sólida e o fluido, que atraem e retém as moléculas do fluido. O sólido sobre o qual ocorre a adsorção denomina-se adsorvente, a espécie química retida pelo adsorvente denomina-se adsorvato e o fluido em contato com a superfície denomina-se adsortivo. Adsorventes são materiais sólidos porosos, com uma grande área de superfície interna por unidade de massa e, estruturalmente, lembram esponjas rígidas. A água adsorvida é contida por condensação dentro dos capilares formados na própria estrutura cristalina do material. A capacidade de um adsorvente para atrair umidade depende do tamanho de seus poros e da relação entre a quantidade de água em sua superfície e o conteúdo de umidade do ar. Essa diferença reflete-se na pressão de vapor na superfície e no ar. Normalmente, um dessecante comercial retém entre 10% e 1100% de sua massa seca em vapor d’água, dependendo do seu tipo e da umidade do ambiente (HARRIMAN, 1990). O fenômeno da adsorção é conhecido desde o século XVIII, quando se observou que certa espécie de carvão retinha, em seus poros, grandes quantidades de água, a qual era liberada quando se submetia o carvão a um aquecimento. Nas últimas décadas, com o avanço das pesquisas e dos conhecimentos na área, a adsorção passou a ser utilizada como uma operação unitária importante dentro da engenharia química, como, por exemplo, nos processos de purificação, onde se utiliza geralmente uma coluna de leito fixo, preenchida com adsorventes, para remover a umidade de uma corrente de um gás. 29 Dentre outras aplicações dos desumidificadores de ar industriais, pode-se destacar ainda: evitar a absorção de umidade por produtos higroscópicos estocados (em produtos farmacêuticos, doces, balas, alimentos, grãos, etc.), climatizar ambientes onde sejam manipulados produtos sensíveis à umidade ou à variação da umidade (tais como a produção de comprimidos, efervescentes, vidro laminado, alimentos higroscópicos e alimentos solúveis), evitar a corrosão em operações de tratamento de superfícies metálicas ou em produtos estocados, evitar a condensação em moldes de injeção plástica ou em máquinas e moldes de processos industriais que sofram resfriamento forçado repentino, reduzir o consumo de energia em determinados sistemas de condicionamento do ar, eliminando o excesso de condensação em serpentinas e trocadores de calor, reduzir o consumo de energia e otimizar a manutenção de produtos perecíveis estocados em câmaras frias ou também em expositores de supermercados evitando a condensação e degradação das embalagens e produtos, secagem de ambientes atingidos por inundações ou infiltrações, manutenção de acervos de museus, prevenção de fungos e bactérias em hospitais, laboratórios e demais ambientes de higiene crítica, prevenção de corrosão em ambientes que manipulem ou sejam imersos em água, tais como: estações de tratamentos de esgotos, tratamento e bombeamento de água, usinas hidroelétricas, plataformas de petróleo, etc. Dessecantes são também utilizados em sistemas de ar comprimido para desumidificar e abaixar o ponto de orvalho. Nesta aplicação, a umidade pode ser removida do dessecante sem fornecimento de calor. A reativação é feita usando diferenças entre as pressões de vapor e as pressões totais da corrente de ar comprimido e da corrente de ar ambiente . Uma outra aplicação consiste na utilização de dessecantes para desumidificar o refrigerante que circula em sistemas frigoríficos. Isto reduz a corrosão nas tubulações do refrigerante e impede que válvulas e capilares fiquem bloqueados com cristais de gelo. Nesta aplicação, o dessecante não é regenerado, sendo descartado quando adsorve seu limite de vapor de água. 1.3.1 O fenômeno da adsorção Todo dessecante atrai e retém umidade até alcançar um equilíbrio com o ar ambiente. A umidade é usualmente removida aquecendo o dessecante até temperaturas entre 50oC e 320°C, expondo-o a um fluxo de ar de reativação (ou de regeneração). Depois de seco, o dessecante deve ser resfriado para que possa atrair a umidade novamente, ou seja, o processo 30 é regenerativo, pois a substância adsorvente, após estar saturada de umidade, permite a liberação de água quando submetida a um aquecimento regenerativo (desorção). Neste processo as energias liberadas são relativamente baixas. Os processos de atrair e reter umidade podem ser feitos por adsorção ou absorção. A adsorção é um fenômeno físico reversível onde se observa normalmente a deposição de camadas de adsorvato sobre a superfície adsorvente. É um processo parecido com uma esponja absorvendo água, ou seja, é o processo de depositar moléculas de uma substância (água, por exemplo) na superfície de outra substância. Teoricamente admite-se que na superfície dos corpos sólidos existem forças desbalanceadas que exercem atração entre as moléculas líquidas e gasosas (PARKER, 2000). Basicamente essas forças incluem forças de dispersão (atrativas), forças repulsivas de pequeno alcance e forças eletrostáticas. As forças de dispersão (também chamadas de forças de van der Walls) aparecem devido à rápida flutuação na densidade do elétron dentro de cada átomo, o que induz um momento de dipolo elétrico nas vizinhanças do átomo, levando a uma atração entre os átomos. O tamanho dos poros individuais varia para diferentes tipos de adsorventes e são classificados usualmente em termos de seu diâmetro (para um poro cilíndrico) ou da distância entre dois lados (para poros em forma de fenda). Cal (1995) apresenta a seguinte classificação para o tamanho dos poros (Tabela 1.1). Tabela 1.1 – Classificação do tamanho dos poros Classificação do poro Tamanho Microporo Menos que 2 nm Mesoporo Entre 2 e 50 nm Macroporo mais que 50 nm A base para a classificação acima é que cada tamanho de poro corresponde a diferentes efeitos de adsorção. A interação potencial em microporos é muito maior que em poros grandes devido à proximidade das paredes do poro, resultando em um aumento do potencial de adsorção. Uma molécula adsorvida dentro de um microporo é retida por forças de adsorção originadas, aproximadamente, dos dez átomos mais próximos à superfície. As forças nas moléculas do adsorvato são função da distância entre os átomos do adsorvato e do adsorvente e da polaridade desses átomos. Dentro de mesoporos ocorre uma condensação capilar, resultando em um “ loop” de histerese na isotérmica de adsorção. Na faixa de 31 macroporos, os poros são muito grandes e torna-se muito difícil mapear a curva isotérmica em detalhes porque a pressão relativa do adsorvato (Pv/Pvs) torna-se muito próxima da unidade (Pv é a pressão parcial do adsorvato – vapor d’água, no caso - e Pvs é sua pressão de saturação de vapor). Assim, a adsorção física envolve forças intermoleculares relativamente fracas (forças de Van der Waals e interações eletrostáticas) entre a umidade do ar e a superfície do dessecante, sendo um processo tipicamente exotérmico (DOBSON, 1987). A força de aderência da adsorção pode ser medida pelo calor de adsorção. Quanto maior este calor mais forte é a força de aderência e mais difícil a remoção da umidade subseqüentemente. Em um dessecante, a água é removida do ar por: (a) adsorção por multicamadas, que é a atração de moléculas de água para a superfície do dessecante e (b) por condensação capilar no qual os poros se enchem de água. A condensação capilar ocorre porque a pressão de saturação do vapor de água em um pequeno poro é reduzida pelo efeito da tensão superficial. Os adsorventes mais utilizados são o dióxido de silício (SiO2 – sílica-gel), o cloreto de lítio (ClLi) e a alumina ativada (Al2O3). Tais substâncias são geralmente depositadas em um substrato de fibra de vidro, celulose ou alumínio. A aparência é a de um fino favo de mel estriado. A energia calorífica para a reativação pode ser obtida por eletricidade, vapor d’água, ar quente ou outra fonte de calor. O processo de absorção, por outro lado, é um processo resultante de um conjunto de reações químicas que utiliza uma substância sólida ou líquida com capacidade de absorver outra substância líquida ou gasosa, ou seja, é um processo químico de secagem e não é regenerativo (a substância absorvente, após estar saturada não é reutilizada). Neste caso o ar é colocado em contato com uma massa higroscópica, que absorve a umidade do ar. As substâncias higroscópicas são classificadas como insolúveis quando reagem quimicamente com o vapor de água sem se liquefazerem e são classificadas como deliquescentes quando, ao absorver o vapor de água, reagem e tornam-se líquidas. Um exemplo disto é um tablete de sal, que muda do estado sólido para o líquido quando absorve umidade. O processo simultâneo de adsorção e absorção é denominado sorção. Assim, sorventes são materiais que tem a capacidade de atrair e reter gases ou líquidos e os dessecantes são um subconjunto dos sorventes. 32 1.3.2 Ciclo dessecante A característica essencial dos dessecantes é a baixa pressão de vapor na sua superfície. Se o dessecante está resfriado e seco, a pressão de vapor em sua superfície é baixa, e ele pode atrair umidade do ar, o qual apresenta uma grande pressão de vapor quando está úmido. Depois que o dessecante se torna quente e úmido, a pressão de vapor em sua superfície é alta, e ele libera vapor de água para o ar nas vizinhanças. O ciclo dessecante completo é ilustrado genericamente na Figura 1.11. No ponto 1 a pressão de vapor na superfície do dessecante é baixa porque ele está seco e resfriado. Como o dessecante coleta a umidade do ar ao redor sua superfície muda para a condição do ponto 2. Sua pressão de vapor, nesta condição, é igual aquela do ar ao redor devido a umidade e calor. No ponto 2, o dessecante não pode coletar mais umidade pois não existe diferença de pressão entre sua superfície e o vapor no ar. A seguir o dessecante é aquecido por uma nova corrente de ar. A pressão de vapor na superfície do dessecante torna-se muito alta – maior do que a do ar ao redor – então a umidade sai da superfície para o ar para equilibrar a diferença de pressão. No ponto 3, o dessecante está seco, mas uma vez quente, sua pressão de vapor ainda é muito alta para coletar umidade do ar. Para restabelecer sua baixa pressão de vapor, o dessecante é resfriado – voltando ao ponto 1 no diagrama e completando o ciclo, podendo, então, coletar umidade novamente. Figura 1.11 – Ciclo dessecante 33 A eficiência do processo melhora quando o dessecante possui uma alta capacidade de adsorção de umidade e uma pequena massa. O desumidificador dessecante ideal deve ter a maior área de superfície possível (para coletar umidade) com uma menor massa possível, uma vez que as energias de aquecimento e resfriamento necessárias são diretamente proporcionais à massa do dessecante. Com relação à pressão de vapor tem-se que quanto maior for a diferença entre a pressão de vapor no ar e a pressão de vapor na superfície do dessecante, maior a capacidade do material para adsorver umidade do ar naquele determinado teor de umidade. 1.3.3 Pr incipais tipos de dessecantes Os dessecantes podem ser sólidos ou líquidos e podem reter umidade através de adsorção ou absorção, como visto anteriormente. A maioria dos absorventes são líquidos e a dos adsorventes são sólidos. Neste tópico apresentam-se apenas algumas características de adsorventes sólidos. A capacidade dos adsorventes sólidos é geralmente menor que a capacidade dos líquidos. Por exemplo, um adsorvente tipo “peneira molecular” típico pode reter 17% de sua massa seca em água quando o ar está em 2l°C e 20% UR. Em contraste, o cloreto de lítio pode reter 130% de sua massa na mesma temperatura e umidade relativa. Mas os adsorventes sólidos têm várias outras características favoráveis. Por exemplo, o tipo peneira molecular continua adsorvendo umidade até mesmo quando está relativamente quente, permitindo a desumidificação de correntes de ar mornas (ASHRAE, 1993). Alguns adsorventes sólidos podem ser fabricados com tolerâncias precisas, com diâmetros de poros que podem ser rigidamente controlados, ou seja, podem ser feitos sob medida para adsorver uma molécula de um diâmetro específico. A água, por exemplo, tem um diâmetro molecular efetivo de 3,2 nm. Um adsorvente tipo peneira molecular com um diâmetro específico médio de 4.0 nm adsorve água, mas quase não tem capacidade para moléculas maiores. Esta característica de adsorção seletiva é útil em muitas aplicações. Por exemplo, vários dessecantes com diferentes tamanhos específicos podem ser combinados em série para remover primeiramente água e depois outros contaminantes específicos de uma corrente de ar. O comportamento de adsorção dos adsorventes sólidos depende: (1) de sua área de superfície total, (2) do volume total de seus capilares, e (3) da faixa de diâmetros dos 34 capilares. Uma grande área de superfície dá ao adsorvente uma capacidade maior em baixas umidades relativas. Capilares grandes provem uma alta capacidade para água condensada, que dá ao adsorvente uma maior capacidade em altas umidades relativas. Materiais com capilares grandes necessariamente têm uma área de superfície menor por unidade de volume que aqueles com os capilares menores. As classes gerais de adsorventes sólidos incluem: Sílica-gel, Zeolitas, Zeolitas Sintéticas, Aluminas Ativadas, Carvão Ativado e Polímeros Sintéticos. A sílica-gel é formada quando um silicato solúvel é neutralizado por ácido sulfúrico. Retirando-se a água, obtém-se um sólido poroso. Sua composição química pode ser expressa como SiO2nH2O. Sua principal aplicação industrial como adsorvente é a retirada de umidade de correntes gasosas. Tem como vantagens um custo relativamente baixo e relativa simplicidade estrutural. Zeolitas são silicatos hidratados de alumínio do grupo dos alcalinos terrosos. Podem ser encontrados na natureza ou sintetizados. A estrutura cristalina das zeólitas é formada pela união de tetraedros de SiO4 e AlO4 que formam poliedros característicos. Esses poliedros arranjam-se tridimensionalmente dando origem a poros de dimensões moleculares e uniformes. Esses poros tem superfície de diâmetro uniforme, com dimensões aproximadas de 2 a 4,3 angstroms. Os átomos particulares de um silicato de alumínio determinam o tamanho máximo da molécula de água que pode ser adsorvida dentro da estrutura (GSA RESOURCES, 2002). As diferentes configurações moleculares determinam um grande número de tipos de zeólitas, cada um com um diâmetro de poro característico. Zeolitas sintéticas, também denominadas peneiras moleculares, são feitas de silicato de alumínio cristalizado em um processo térmico. Controlando a temperatura do processo e a composição dos materiais ingredientes é possível um controle da estrutura e das características da superfície do adsorvente. Com um custo um pouco mais elevado, se consegue um produto muito mais uniforme que as zeolitas naturais. Aluminas ativadas são óxidos e hidretos de alumínio que também são fabricados através de processos térmicos. São comumente obtidas da bauxita (Al2O33H2O). Suas características estruturais podem ser controladas pela temperatura e pela duração do processo térmico. Sua aplicação industrial mais importante é também na desidratação de correntes gasosas e em algumas purificações específicas de correntes líquidas. O carvão ativado foi um dos primeiros adsorventes conhecidos e é um dos mais utilizados atualmente. Geralmente é produzido pela decomposição térmica de um material carbonáceo seguido pela ativação com vapor ou dióxido de carbono em temperaturas 35 elevadas. Sua superfície possui afinidade com substâncias orgânicas, sendo sua principal aplicação, atualmente, a descontaminação de água para consumo humano. Polímeros sólidos tem um bom potencial para uso como dessecante. Moléculas longas, como as encontradas em alguns sais podem reter água condensada dando ao polímero uma capacidade maior que muitos outros adsorventes sólidos. A temperatura de reativação depende do tipo de material adsorvente utilizado e da aplicação. 1.3.4 Vida útil do dessecante A vida útil dos materiais dessecantes depende, em grande parte, da quantidade e do tipo de contaminação na corrente de ar que eles secam. Em equipamentos comerciais, os dessecantes duram entre 10.000 e 100.000 h, após o que necessitam de reposição (ASHRAE, 1993). Normalmente, dois mecanismos causam a perda de capacidade do dessecante: mudanças nas características de sorção do dessecante devido a reações com os contaminantes e perda de área de superfície efetiva devido a bloqueio ou degradação higrotérmica. Adsorventes tendem a serem menos reativos quimicamente e mais sensíveis ao bloqueio, que é função do tipo e quantidade de material particulado na corrente de ar. Certos adsorventes são sensíveis ao estresse higrotérmico, resultante da expansão e contração térmica do material devido às rápidas variações em seu conteúdo de umidade. Por exemplo, sílica gel utilizada em uma corrente de ar acima de 95% UR e baixa temperatura sendo reativada em uma corrente de ar a alta temperatura, seis vezes por hora, 24 horas por dia, sofrerá uma redução de 10% em sua capacidade ao longo de um ano (ASHRAE, 1993). Muitos materiais dessecantes podem reter poluentes ao mesmo tempo em que retém vapor de água do ar ambiente. Esta característica é muito útil em sistemas de condicionamento de ar em que a qualidade do ar interno é especialmente importante. 1.3.5 Tipos de desumidificadores Existem várias configurações de desumidificadores dessecantes, mas os tipos mais utilizados são o tipo torre e o tipo cilindro rotativo. 36 A Figura 1.12 mostra um desumidificador dessecante tipo torre. Nesta configuração, um dessecante sólido, tal como sílica gel, é depositado em uma torre vertical. O ar de processo passa através da torre transferindo sua umidade para o dessecante seco. Após o dessecante ter se saturado de umidade o ar de processo é desviado para uma segunda torre de secagem e a primeira torre é aquecida e purgada de sua umidade través de uma corrente de ar de reativação. Como a desumidificação e a reativação tem lugar em compartimentos selados separados a torre de desumidificação é freqüentemente usada para gases de processo pressurizados. Esse sistema permite atingir temperaturas de ponto de orvalho muito baixas (TORREY; WESTERMAN, 2002). Figura 1.12 – Desumidificador tipo torre A Figura 1.13 mostra o esquema de um desumidificador tipo cilindro rotativo, também conhecido como tipo honeycomb (HARRIMAN, 1990). Nesta configuração utiliza-se um cilindro rotativo impregnado com o material dessecante. O fluxo de ar externo passa através de uma parte do cilindro, sendo desumidificado, enquanto o fluxo de ar de reativação, aquecido, circula em contracorrente, removendo a umidade. Nos últimos anos vêm se desenvolvendo novas tecnologias relativas ao processo de desumidificação por adsorção aplicado ao resfriamento em sistemas de condicionamento de ar, tais como apresentados por Shen e Worek (1996), Belding e Delmas (1997), Jalalzadeh- Azar (2000), Jalalzadeh et al (2000), Vineyard et al (2000), Jain et al (2000a), Jain et al (2000b) e Zhenqian e Mincheng (2000). 37 Figura 1.13 – Desumidificador tipo cilindro rotativo 1.4 O ESTADO DA ARTE Neste tópico faz-se uma revisão bibliográfica tanto de sistemas de resfriamento evaporativos quanto de sistemas evaporativos acoplados a desumidificadores por adsorção. 1.4.1 Sistemas de resfr iamento evaporativo Watt (1963) realizou a primeira análise rigorosa dos sistemas evaporativos direto e indireto, enumerando suas vantagens e desvantagens, indicando suas aplicações e estabelecendo considerações sobre o projeto. Pode-se dizer que, a partir de seus trabalhos, a refrigeração evaporativa começou a ser investigada cientificamente. Pescod (1968) desenvolveu trocadores de calor de correntes cruzadas, compactos de placas plásticas. Suas superfícies contém aletas cilíndricas de pequeno diâmetro e grande espaçamento para minimizar a perda de pressão. Para altos números de Reynolds em fluxo laminar ele mediu as quedas de pressão e coeficientes de transferência de calor para 3 tipos de placas paralelas. O mesmo autor também desenvolveu (1979) um dos primeiros modelos matemáticos para a simulação de refrigeração evaporativa. Seu modelo baseia-se em um trocador de superfície seca, ao qual ele aplica as hipóteses de um trocador de calor ideal. 38 Eskra (1980) apresenta um sistema de dois estágios que combina um resfriador evaporativo direto e um indireto com o objetivo de melhorar a eficiência. Nesse equipamento, o primeiro estágio proporciona uma troca de calor sensível por meio de um trocador de calor de correntes cruzadas, de superfície molhada, com eficiência de 60%, e o segundo estágio utiliza um lavador de ar que proporciona uma eficiência de 90%, aproximando-se da saturação total. Apresenta, ainda, processos psicrométricos de resfriamento evaporativo direto e indireto considerando as condições do ar externo com 1% de temperatura de bulbo seco e bulbo úmido coincidentes, sendo a eficiência do estágio indireto de 60% e do direto de 90%. Mostra também vetores de processos para 9 cidades americanas. O mesmo estudo é apresentado no ASHRAE,1995. Supple (1982) descreve alguns sistemas que utilizam o resfriamento evaporativo indireto. O primeiro sistema é o mesmo apresentado por Eskra (1980) e descrito acima. O segundo é um trocador de calor ar-ar de placas, onde a água é pulverizada diretamente dentro das passagens do ar de exaustão, enquanto o ar de insuflamento flui em contra-corrente através de passagens secas. Os canais secos se alternam com os úmidos. O terceiro sistema usa uma torre de resfriamento ou um lavador de ar para resfriar água e esta água resfriada é, então, bombeada através de uma serpentina que é colocada na corrente de ar de insuflamento. Outro sistema consiste em usar um trocador de calor tipo volante rotativo com um lavador de ar localizado na corrente de ar de exaustão no lado de entrada do ar do volante rotativo e um segundo lavador de ar localizado no lado do ar de insuflamento (condicionado) do mesmo volante rotativo. Um quinto sistema consiste na utilização do efeito evaporativo para resfriar água em tanques de armazenagem térmica para tirar proveito da baixa temperatura de bulbo úmido noturna e usar esta água resfriada no dia seguinte. Maclaine-Cross e Banks (1983) apresentam equações para modelar trocadores de calor evaporativos regenerativos e, para resolvê-las, aproximam a linha de saturação do diagrama psicrométrico a uma função linear entre a umidade de saturação e a temperatura de bulbo seco. Essa aproximação possibilita desacoplar as equações do lado seco das equações do lado úmido. Nessa análise, a transferência de calor e massa é descrita por dois potenciais combinados agindo independentemente, os quais correspondem à temperatura de bulbo úmido e à depressão de bulbo úmido em um trocador de calor de superfície molhada. Seu trabalho é muito referenciado. 39 Nation (1984) discute a operação de vários tipos de sistemas de resfriamento evaporativo, dando particular atenção aos sistemas multiestágios. Ele mostra que é possível obter-se temperaturas do ar equivalentes àquelas obtidas pelos sistemas de refrigeração mecânica em diversas regiões dos E.U.A.. Em seu trabalho, Nation mostra o efeito da utilização do resfriamento evaporativo em sistemas utilizando 100% de ar externo e em outros com recirculação de ar. Simula um edifício em 6 (seis) cidades americanas, que foram selecionadas por apresentarem diferentes climas, e demonstra que o resfriamento evaporativo pode economizar de 10% a 100% da energia utilizada pela refrigeração mecânica convencional (a taxa de 100% representa a utilização do sistema evaporativo somente). Peterson e Hunn (1985) apresentam um estudo preliminar do potencial para reduzir a demanda elétrica nos horários de pico em pequenos edifícios de escritórios em 11 (onze) cidades americanas utilizando resfriadores evaporativos indiretos. O resultado é uma redução de 11% a 16% do consumo de energia, que é obtida pelo pré-resfriamento do ar de ventilação e pela integração dos sistemas de iluminação e de resfriamento, utilizando sistemas de distribuição do ar por dutos instalados no teto. Supple e Broughton (1985) demonstram que o resfriamento evaporativo indireto pode ser usado em série com a refrigeração mecânica de modo a reduzir os custos de operação em áreas onde a temperatura de bulbo úmido é relativamente alta e apresentam uma comparação entre 4 sistemas. O sistema A é evaporativo direto somente, o B é um sistema evaporativo direto/indireto, o C é evaporativo indireto com refrigeração mecânica e o sistema D possui somente refrigeração mecânica. Recomendam, para TBU abaixo de 13 oC somente o sistema (A); entre 13 e 15 oC (A) e (B); entre 15 e 18 oC (A), (B) e (C); entre 18 e 21 oC (B) e (C); entre 21 e 24 oC (B), (C) e (D) e os sistemas (C) e (D) para TBU acima de 24 oC. Haley (1986) analisa um edifício de escritórios de paredes envidraçadas, localizado em Las Vegas, que é refrigerado por um sistema evaporativo onde o ar de retorno passa primeiramente através de um lavador de ar industrial, depois através da parte inferior de um trocador de calor tipo cilindro rotativo e finalmente é jogado para fora do edifício. O ar externo passa primeiramente através da parte superior do trocador de calor tipo cilindro rotativo para reduzir sua TBU, depois passa através de um lavador de ar industrial e finalmente passa, em dias muito úmidos, através de uma serpentina de refrigeração. Esse sistema apresenta baixo custo operacional. 40 Anderson (1986) examina a economia obtida por um sistema de condicionamento de ar evaporativo de três estágios indireto/direto onde o terceiro estágio é feito por refrigeração mecânica por expansão direta ou água gelada. Um estudo paramétrico é realizado para identificar as principais variáveis que influenciam economicamente na instalação do sistema, para justificar um investimento de capital adicional associado à instalação de um sistema evaporativo em lugar de um sistema de refrigeração mecânico convencional. Apresenta uma série de gráficos que permitem estimar o retorno de investimento (em anos) versus TBS de projeto, TBU de projeto, condições do ambiente condicionado e condições do ar insuflado. Conclui que o uso de sistemas evaporativos para condicionamento de ar para conforto é aconselhável somente em climas com temperaturas de bulbo úmido médias de 23oC ou menores ou em regiões com climas que apresentam temperaturas de bulbo seco de 32oC ou maiores. Curt (1986) apresenta algumas filosofias básicas de controle para cada componente de um sistema evaporativo e as coloca dentro da filosofia do sistema como um todo. Inclui a descrição de alguns componentes de controle tais como sensores de pressão estática, de temperatura e de umidade, válvulas de três vias, reguladores de vazão, etc; seqüências de controle e cartas psicrométricas com o princípio de operação de sistemas de resfriamento evaporativo. Crum; Mitchell e Beckman (1987) investigaram três tipos de resfriadores de ar: um resfriador evaporativo indireto de simples estágio, um de múltiplos estágios e uma combinação de torre de resfriamento com um trocador de calor resfriador de ar. Desenvolveram relações e características de desempenho. Na faixa de interesse para o condicionamento de ar os coeficientes de desempenho vão de 25, para o resfriador evaporativo indireto de simples estágio, até acima de 75 para a combinação torre de resfriamento/ trocador de calor resfriador de ar. Concluem que a combinação “ torre de resfriamento/ trocador de calor resfriador de ar” tem o maior potencial térmico para aplicações em condicionamento de ar. McClellan (1988) apresenta dados de desempenho de diversos tipos de resfriadores evaporativos (simples estágio direto, simples estágio indireto e dois estágios direto/indireto) operando em cinco cidades dos E.U.A. que possuem diferentes condições climáticas. Seu 41 trabalho conclui que, para a maioria delas, em condições de pico no verão, uma parcela significante do resfriamento requerido pode ser provido por resfriamento evaporativo indireto. Para aplicações industriais, é possível conseguir-se condições de trabalho mais confortáveis utilizando resfriamento evaporativo comparado com a utilização de ventilação sem resfriamento do ar externo. Conclui também que uma parcela substancial de resfriamento pode ser suprida com o resfriamento evaporativo indireto para todas as condições climáticas durante as estações intermediárias e para algumas partes do dia durante a estação mais quente do ano. Wu (1989) monitorou o desempenho de um sistema evaporativo de dois estágios em uma residência em Scottsdale, Arizona, no verão de 1987 em dois períodos, separadamente. No primeiro período a unidade foi operada como um resfriador evaporativo direto de simples estágio, resultando em uma média de 74% de depressão de bulbo úmido. Durante o segundo período foi testada a capacidade total da unidade como um resfriador evaporativo de dois estágios. O primeiro estágio (processo de resfriamento evaporativo indireto) alcançou uma média de 54% de efetividade e o segundo estágio (resfriamento evaporativo direto) alcançou uma média de 88% de efetividade. Robinson (1989) apresenta cartas de limites de conforto térmico e de temperaturas efetivas e relata que resfriadores evaporativos não estão restritos a áreas quentes e secas mas podem ser utilizados com sucesso em qualquer lugar do mundo. Cita uma série de instalações, nos E.U.A., em localidades onde a umidade relativa é alta e que utilizam sistemas de resfriamento evaporativo. Watt (1963) classifica essas cidades quanto à utilização do resfriamento evaporativo, para as temperaturas de bulbo seco e úmido, como abaixo: Indústrias de auto-peças em Memphis (36,1/26,1 - possível), Kansas City (36,6/25 - lenitivo), Dallas (37,2/25,5 - lenitivo) e Atlanta (33,8/25 - possível); uma indústria de conformação mecânica por forjamento em Michigan (35/23,9 - possível) e uma indústria de fundição de alumínio para pistões no sudeste de Indiana (33,3/25,5 - possível). Scheatzle; Wu e Yellott (1989) realizaram um estudo para determinar se a zona de conforto para verão, como apresentada pela ASHRAE, podia ser expandida para incluir condições obtidas em áreas de clima quente e seco, com uma combinação de resfriamento evaporativo e circulação do ar obtida por ventiladores de teto. O resfriamento evaporativo pode prover um resfriamento aceitável durante partes do ano em climas quentes e secos, mas 42 não é satisfatório nos períodos em que a temperatura de bulbo úmido é alta. O ventilador de teto pode aumentar o período de tempo em que o resfriador evaporativo pode ser usado. Citam que um estudo conduzido por Rohles; Konz e Jones (1983), mostrou que ventiladores de teto podem efetivamente estender a região de conforto até temperaturas de 29,4 oC e 50% de umidade relativa. O estudo mostrou que velocidades entre 0,46 m/s e 1,02 m/s, fornecidas por ventiladores de teto podem aumentar o tempo em que o resfriador evaporativo direto pode ser usado para conforto térmico. Com o resfriador evaporativo indireto é teoricamente possível proporcionar resfriamento para a estação toda utilizando maiores velocidades do ar. Liesen e Pedersen (1991) apresentam cinco configurações de resfriadores evaporativos para análise de energia através do programa BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics). O trabalho mostra o desenvolvimento dos modelos e seu relacionamento funcional com a operação do sistema de ventilação. Esta implementação permite avaliar possibilidades e alternativas de utilização de todos os tipos de sistemas evaporativos em diversas condições climáticas. Apresentam exemplos de análise para várias cidades americanas e concluem que o resfriamento evaporativo torna possível reduzir o consumo de energia elétrica em edifícios, sendo definitivamente vantajoso em edifícios que requerem grande quantidade de ar externo. Erens e Dreyer (1993) apresentam algumas configurações para sistemas de resfriamento de ar evaporativos. Essas configurações, ilustradas na Figura 1.14, mostram os diversos arranjos pelos quais o ar pode ser resfriado evaporativamente e utilizado no resfriamento de um ambiente. O sistema de condicionamento de ar evaporativo mais simples consiste de um duto de suprimento de ar que incorpora um sistema de pulverização de água (tipo spray). O sistema é chamado de resfriamento evaporativo direto (RED) ou também de saturador adiabático (Figura 1.14a). Em muitas aplicações, um aumento na umidade do ar não é desejável, e neste caso, utiliza-se um sistema de resfriamento evaporativo indireto. A Figura 1.14b mostra um sistema de resfriamento evaporativo indireto típico onde a corrente de ar que é resfriada pela pulverização da água (ar secundário) é usada para resfriar, através de um trocador de calor (TC), o ar primário (seco) que irá para o ambiente a ser condicionado. É possível combinar uma câmara de pulverização e um trocador de calor em uma única unidade (Figura 1.14c) para formar um resfriador evaporativo indireto (REI). É vantajoso passar 43 uma fração do ar resfriado e seco através do lado úmido do trocador de calor em vez de usar somente o ar externo (Figura 1.14d). Este tipo de resfriador é conhecido como evaporativo indireto regenerativo (REIR). Se unidades de resfriadores evaporativos regenerativos (como mostrado na Figura 1.14d) são colocados em série, a temperatura do ar resfriado que deixa a última unidade aproxima-se da temperatura de ponto de orvalho, mas cada estágio adicional tem menor taxa de fluxo de massa do lado do ar seco. Crum et al. (1987) mostram que, para operar qualquer dos estágios em sua capacidade de resfriamento ótima, metade do ar entregue pelo último estágio deve ser usado no lado úmido do trocador de calor. Assim, a fração total de ar útil entregue por um resfriador evaporativo indireto de n estágios será f = (1/2)n. Se o ar de exaustão do ambiente condicionado tem uma temperatura de bulbo úmido menor que a do ar externo ele pode ser usado no lado úmido em vez de usar uma fração do ar seco resfriado ou do ar ambiente (Figura 1.14e). SALARED Figura 1.14a - Resfriador evaporativo direto SALA RED TC Figura 1.14b - Resfriador evaporativo indireto com trocador de calor e saturador adiabático separados SALAREI Figura 1.14c - Resfriador evaporativo indireto com trocador de calor e saturador adiabático combinados. 44 SALAREIR Figura 1.14d - Resfriador evaporativo indireto regenerativo SALAREI Figura 1.14e - Resfriador evaporativo indireto com regeneração pelo ar que deixa o ambiente condicionado Figura 1.14 - Configurações de sistemas evaporativos para condicionamento de ar Tinoco e Ibrahim (1994) projeta um sistema de resfriamento adiabático constituído de material poroso umedecido, acoplado a um ventilador e um tubo de distribuição de vazão (denominado SMPVT) a ser empregado em salas de recepção de ovos de matrizes, com o objetivo de comparar a eficiência desse sistema com o sistema já usual no Brasil, constituído de aspersão de água sobre cobertura em conjunto com ventilação interna (denominado SACVI). Nas salas de recepção de ovos a temperatura deve permanecer em níveis inferiores a 23,3 oC e a umidade relativa do ar deve estar entre 70% e 80% para não comprometer a produção. Eles concluem que os melhores resultados de taxa de eclosão, representados por superioridade média diária de 5,67% foram obtidos no SMPVT e que para os dois sistemas de condicionamento ambiente em estudo, as salas de recepção equipadas com SMPVT apresentaram melhores condições de conforto térmico e, conseqüentemente, melhores condições para alojar os ovos de incubação. Alonso; Vieira e Martinez (1995) apresentam um modelo matemático que fundamenta-se na determinação de uma temperatura equivalente. Mediante equações de transferência de calor e massa, supondo que o processo no canal úmido é adiabático, desenvolvem equações 45 que dependem da umidade relativa. O modelo considera cada elemento infinitesimal de um resfriador evaporativo indireto como um trocador de calor e estabelece uma equação de saturação do ar secundário que permite determinar a sua temperatura e umidade ao longo de toda superfície de troca de calor utilizando uma equação polinomial para a temperatura e uma reta para a umidade relativa. Belding e Delmas (1997) mostram que, nos últimos anos, tem sido desenvolvidos módulos compactos de resfriadores evaporativos indiretos para uso em condicionadores de ar individuais. Apresentam um módulo trocador de calor de 0,056 m3 é capaz de produzir aproximadamente 2,93 kW de refrigeração para uma temperatura na entrada de 43oC e um conteúdo de umidade de 6,9 g/kg, produzindo, na saída, ar a uma temperatura de 19oC. Schibuola (1997) comenta que, nas aplicações de ar condicionado tradicionais, nas quais a serpentina de resfriamento desumidifica o ar, é possível aumentar a reutilização do ar de retorno para recuperar energia. O sistema apresentado por ele utiliza o resfriamento evaporativo para pré-resfriar o ar de retorno e trocadores de calor para resfriar o ar externo captado. Esse sistema, aplicado em Milão, Atenas e Roma, cidades caracterizadas por clima ameno, resulta em uma economia de energia entre 5% e 35%, dependendo da vazão de ar e da taxa de ocupação do ambiente. Watt e Brown (1997) citam que um dos mercados mais promissores ao resfriamento evaporativo é o agropecuário. Muitos animais domésticos têm a temperatura corporal mais alta que a do homem, como por exemplo, bovinos (38,5oC, em média), ovinos (39,1oC), suínos (39,2oC), láparos (39,5oC), caprinos (39,9oC) e galináceos (41,7oC). De um modo geral os animais não são tão sensíveis à umidade quanto os humanos mas sofrem excessivamente quando a temperatura do ambiente se aproxima de sua temperatura corporal e o primeiro sinal do estresse térmico é a redução do apetite, podendo até mesmo levar à morte. Um sistema adequado de ventilação ou de resfriamento evaporativo pode promover o conforto térmico nesses casos. Quanto a sistemas de resfriamento evaporativo aplicados à condicionamento de ar automotivo, Watt e Brown (1997) relatam que os sistemas evaporativos precederam os sistemas mecânicos em automóveis utilizados por turistas que visitavam o sudoeste dos EUA. 46 Baêta et al (1997) avaliaram o efeito da ventilação forçada e de sistemas de resfriamento evaporativo para melhorar as condições térmicas ambientais em maternidades de suínos durante o verão de 1996. Utilizaram salas de maternidade e alojaram as matrizes nas mesmas, quatro dias antes da parição. Os tratamentos testados foram: ventilação forçada, resfriamento evaporativo com nebulizador acoplado ao ventilador e resfriamento evaporativo com material poroso acoplado ao ventilador. Os resultados demonstraram que os sistemas de resfriamento evaporativo proporcionaram melhores condições térmicas para as matrizes lactantes. Halasz (1998) apresenta um modelo matemático adimensional geral para descrever todos os tipos de dispositivos de resfriamento evaporativo em uso atualmente (torres de resfriamento de água, condensadores evaporativos, resfriadores evaporativos de fluido, lavadores de ar, serpentinas de desumidificação, etc). O sistema de equações diferenciais que descreve o processo de vaporização adiabática é transformado em uma forma adimensional pura pela introdução de coordenadas e parâmetros adimensionais e pela substituição da linha de saturação real por uma linha reta, mesma hipótese já feita por Maclaine-cross e Banks (1983). Foster (1998) apresenta dados de desempenho, de economia de energia, de benefícios e de manufatura de sistemas evaporativos para diversas cidades nos EUA e no México. Naas (1999) apresenta tabelas com limites admissíveis de temperatura recomendadas para a produção mínima de ruminantes e discorre sobre a influência da temperatura, da umidade relativa e do tempo de exposição sobre a produtividade de vacas leiteiras. Conclui que sistemas de refrigeração são necessários para se alcançar produções máximas e que sistemas de aspersão de água e de ventilação são muito efetivos e de baixo custo. Cardoso; Camargo e Travelho (1999) desenvolveram um trabalho no qual se apresenta um estudo do balanço térmico para os sistemas de resfriamento direto e indireto, é ilustrado um sistema com pré-desumidificação por adsorção e são feitos comentários a respeito de vaporização da água em pressões abaixo da pressão atmosférica e da utilização de um sistema ar/vapor d’água/combustível para aplicação automotiva. Mazzei e Palombo (1999) estudam um sistema (resfriamento evaporativo indireto, direto e compressão de vapor acoplados) aplicados a diversas regiões da Itália, caracterizadas 47 por diferentes climas. Apresentam os esquemas mais propícios para as diversas regiões plotados em cartas psicrométricas e estudos de custo de operação e custos globais. Camargo; Cardoso e Travelho (2000a) discorrem sobre os princípios de operação dos sistemas de resfriamento evaporativo direto, indireto e multi-estágios, apresentando dois métodos que podem ser utilizados para a determinação de referenciais para uma eficiente utilização de sistemas de resfriamento evaporativo. É feita uma aplicação para diversas cidades brasileiras concluindo que a utilização de sistemas evaporativos diretos encontra-se limitada devido à características climáticas regionais. Camargo; Cardoso e Travelho (2000b) fazem considerações sobre aspectos de conforto térmico para condicionamento de ar por resfriamento evaporativo tais como, temperatura efetiva, índice de resfriamento pela movimentação de ar e zonas de conforto e aplicam dois métodos para avaliação do uso eficiente de sistemas evaporativos para diversas cidades chilenas. Joudi e Mehdi (2000) apresentam um estudo de aplicação do resfriamento evaporativo indireto a uma residência típica localizada em Bagdá, sistema este com carga de resfriamento variável. O sistema REI usa um trocador de calor tipo placa com fluxo cruzado e o modelo teórico utiliza o trabalho de Pescod. Analisam e comparam quatro sistemas: somente ventilação, RED de simples estágio, REI de simples estágio e um sistema de dois estágios REI + RED. Concluem que o sistema de dois estágios fornece a máxima capacidade de resfriamento. Camargo (2000) apresenta, em sua dissertação de mestrado, os princípios básicos para a utilização, para o conforto térmico humano, de um sistema de condicionamento de ar que utiliza o processo de resfriamento evaporativo. Apresenta, a seguir, os princípios de operação dos sistemas de resfriamento direto e indireto e o desenvolvimento teórico das equações de trocas térmicas para os sistemas direto e indireto, bem como uma análise da efetividade para ambos os sistemas. Desenvolve quatro métodos que podem ser utilizados para determinação de referenciais para utilização eficiente de sistemas de resfriamento evaporativo, aplicando-os a diversas cidades brasileiras. 48 Kant et al (2001) apresentam um artigo em que examinam a possibilidade de condicionamento de ar nos meses de verão em Delhi, na Índia. Simulam o efeito do número de trocas de ar por hora e do fator de by-pass (BPF) no desempenho do sistema. Concluem que se a temperatura e a umidade relativa são altas no ambiente então o sistema RED não consegue proporcionar conforto, mas combinações apropriadas de trocas de ar e de BPF podem ser utilizadas para propiciarem melhores resultados. Camargo e Ebinuma (2001) apresentam os princípios básicos de funcionamento e considerações técnicas para a utilização do resfriamento evaporativo em condicionamento de ar para conforto térmico humano, discorrendo a respeito de sistemas de resfriamento evaporativo direto, indireto, multi-estágios e de sistemas híbridos. Apresentam, ainda, alguns benefícios ambientais e econômicos resultantes da utilização eficiente desses sistemas. Daí e Sumathy (2002) estudaram o material constituinte da célula evaporativa de um resfriador evaporativo direto. Um modelo matemático para a temperatura de interface dos filmes foi desenvolvido. Uma análise dos resultados demostra que existe um tamanho considerado ótimo para o canal de ar, o que resulta em uma temperatura baixa e que o desempenho do sistema pode ser muito melhor com a otimização dos parâmetros de operação, como taxas de fluxo de massa da água de alimentação de água e de ar de processo, bem como diferentes tamanhos da célula evaporativa. Costelloe e Finn (2002) apresentam um trabalho em que quantificam a disponibilidade de resfriamento evaporativo para cidades européias do norte e do sul. O trabalho incorpora descobertas de pesquisas experimentais recentes e baseia a análise de viabilidade em testes meteorológicos referentes a informações anuais do tempo. Os resultados dessa pesquisa confirmam um maior potencial para a geração de água resfriada por meios evaporativos, os quais podem ser usados para prover resfriamento efetivo em sistemas de serpentinas e ventiladores, painéis de teto resfriados por água gelada, etc. Hasan e Sirén (2003) analisam o desempenho de dois trocadores de calor resfriados evaporativamente. Um dos trocadores de calor é com tubos lisos e o outro com tubos aletados. Um modelo é usado para calcular o desempenho térmico dos trocadores assumindo uma temperatura da água vaporizadora constante no trocador de calor. Encontra-se um índice 49 energético definido como a razão entre a condutância térmica volumétrica e a queda de pressão por unidade de comprimento para comparar os dois trocadores. 1.4.2 Sistemas com pré-desumidificação por adsorção A Munters desenvolve atualmente um sistema desumidificador dessecante (REVISTA ABRAVA, 1999) que diminui a umidade do ar até níveis muito mais baixos que aqueles obtidos por refrigeração mecânica. Este sistema utiliza um cilindro tipo colméia (honeycomb) como mostrado na Figura 1.13. A Figura 1.15 mostra várias possibilidades de utilização de sistemas de resfriamento evaporativo com dois ou três estágios. Utilizam-se as mesmas condições inicial e final das análises anteriores empregando, agora, pré-desumidificação por adsorção (CARDOSO; CAMARGO; TRAVELHO, 1999). 60-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 5 10 0 20 25 30 15 0,010 0,002 0,006 0,008 0,012 0,014 0,016 0,018 0,022 0,024 0,026 0,020 0,028 0,030 0,004 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 0,8 0,85 0,9 0,95 vol um e específico em m /kg 3 15 5 20 35 10 25 30 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 En ta lp ia e m k J/ kg Te m pe ra tu ra d e sa tu ra ça ~º C Temperatura BS ºC U m id ad e ab so lu ta e m k g va po r/ k g ar s ec o 2 1 9 4 6 3 57 8 Figura 1.15 - Resfriamento evaporativo com pré-desumidificação Nessa figura, o processo 1-2-6-8-9 é um sistema de 2 estágios com desumidificação e refrigeração mecânica. Entre os estados 1 e 2 ocorre a desumidificação por adsorção, entre 2 e 6 tem-se o processo de resfriamento evaporativo indireto e entre 6 e 9 tem-se a refrigeração mecânica de reforço. O processo 1-4 considera desumidificação sem aquecimento e, neste caso, o processo 4-8 corresponde ao resfriamento evaporativo indireto e o processo 8-9 à 50 refrigeração mecânica. O processo 1-3-5-7-9 é um sistema com 3 estágios com desumidificação por adsorção e refrigeração mecânica. Neste outro caso, o calor do processo 5-7 é suprido pela refrigeração mecânica e o do processo 7-9 pelo sistema de resfriamento evaporativo direto. Os sistemas de resfriamento evaporativo utilizando pré-desumidificação apresentam perspectivas promissoras, principalmente para aplicação em veículos automotivos e sistemas de cogeração, pois nesses casos é possível utilizar os gases de descarga para a reativação do adsorvente. Belding e Holeman (1994) apresentaram um processo de desumidificação com regeneração em altas temperaturas e mais tarde trabalharam em um novo processo que incorpora uma grande carga de dessecante dentro de um cilindro, com escoamento laminar de ar. Isto resultou em um sistema com uma alta capacidade de regeneração em um equipamento compacto. Um conjunto de módulos de REIs foi especialmente projetado para um sistema de resfriamento por desumidificação e testado para diversas condições de entrada, conseguindo- se ar seco em uma faixa de temperatura entre 40oC e 60oC. Não é necessária uma grande desumidificação (entre 2 a 5 g/kg) pois níveis entre 5 e 7 g/kg propiciam condições confortáveis e capacidades de resfriamento suficientes (BELDING; DELMAS, 1997). Shen e Worek (1996) aplicam a Segunda Lei da Termodinâmica a um sistema de resfriamento dessecante operando com recirculação total de ar, conforme Figura 1.16. Neste estudo o adsorvente é o molecular sieve 13X e o ar de processo é assumido como contendo ar seco, vapor d’agua e dióxido de carbono. A eficiência da Segunda Lei é documentada em têrmos do número total de unidades de transferência de calor (NTU) e da temperatura de regeneração. Belding e Delmas (1997) apresentam um sistema composto de um desumidificador dessecante rotativo acoplado a um trocador de calor ar/ar e a dois resfriadores evaporativos (um indireto e outro direto). Usando um cilindro de 0,68 m de diâmetro com regeneração a 175oC e 15 kW de resfriamento encontram um coeficiente de desempenho (COP) igual a 0,72. A Figura 1.17 mostra o sistema utilizado. 51 Figura 1.16 – Sistema utilizado por Shen e Worek (1996) Figura 1.17 – Sistema utilizado por Belding e Delmas (1997) Jalalzadeh-Azar (2000) examina os efeitos da resposta transiente e do custo de energia em um sistema dessecante rotativo que utiliza um desumidificador acoplado a um heat-pipe e a um resfriador evaporativo direto (Figura 1.18). Jalalzadeh et al (2000) determinam experimentalmente as características de desempenho de um sistema de desumidificação disponível comercialmente. Duas variáveis de projeto são examinadas: a taxa entre os fluxos de ar de processo/ ar de regeneração e a temperatura de reativação. Mostram que o coeficiente de desempenho é significantemente mais sensível à variação da taxa entre os fluxos de ar e que a capacidade de desumidificação é relativamente insensível. Por outro lado, a temperatura de regeneração afeta a capacidade de desumidificação com uma pequena variação no coeficiente de desempenho. 52 Figura 1.18 – Sistema utilizado por Jalalzadeh-Azar (2000) Vineyard et al (2000) apresentam um sistema híbrido que utiliza um desumidificador dessecante tipo cilindro rotativo acoplado a uma “ roda de Pennington” e a um RED, conforme Figura 1.19, e analisam o impacto da variação de vários parâmetros de operação no desempenho do sistema. Figura 1.19 - Sistema utilizado por Vineyard et al (2000) Os parâmetros analisados são: velocidade de rotação do desumidificador, temperatura de regeneração, taxa volumétrica de ar, espessura da roda desumidificante, ângulo do setor de desumidificação e carga de material dessecante. Uma comparação entre duas cargas de dessecante mostram que uma carga maior é mais eficiente. Para ambas as cargas a capacidade 53 latente e o coeficiente de desempenho melhoram quando a velocidade de rotação e as taxas de ar aumentam. O aumento na temperatura de regeneração aumenta a capacidade latente mas provoca pequena variação no COP latente Jain et al (2000a) apresentam um sistema híbrido com dessecante líquido que utiliza um absorvedor tipo tubo e um regenerador tipo placa. Dois fatores de umidificação são definidos e estimados e o modelo teórico é comparado com dados experimentais, encontrando um desvio de aproximadamente 30%. Jain et al (2000b) estudam um sistema com dessecante líquido (brometo de lítio) acoplado a um trocador de calor ar/ar e a dois REDs, conforme mostra a Figura 1.20. Buscam a otimização do sistema utilizando um problema de programação não-linear. Concluem que, se existe disponibilidade de calor residual o sistema pode ser uma alternativa viável aos sistemas convencionais. Figura 1.20 – Sistema utilizado por Jain et al. (2000b) Zhenqian e Mincheng (2000) mostram uma aplicação de um heat-pipe com loop capilar incorporado a um desumidificador dessecante a dois REIs, de acordo com a Figura 1.21. O estudo envolve a análise do sistema e as limitações inerentes aos princípios de funcionamento do heat-pipe. É simulado o desempenho do sistema para um clima quente. 54 Figura 1.21 – Sistema utilizado por Zhenqian e Mincheng (2000) Yanjun et al (2000) analisam um sistema híbrido composto de uma seção de desumidificação por adsorção, resfriamento evaporativo e sistema por compressão de vapor e demonstram que a produção de frio deste sistema aumenta de 20% a 30% e que o coeficiente de desempenho aumenta de 20% a 40% quando comparado com o sistema por compressão de vapor. Henning et al (2001) mostram várias combinações de coletores solares com sistemas dessecantes e discorrem sobre o uso da energia solar como fonte de reativação. Daí Y. J.; Wang R. Z. e Xu Y. X. (2002) estudam um sistema de resfriamento solar híbrido que combina as tecnologias da desumidificação dessecante e de um refrigerador por adsorção sólida, proposto para resfriar grãos. Os principais componentes do sistema são uma roda dessecante rotativa e um coletor solar por adsorção. Comparado somente com o sistema de refrigeração por adsorção sólida, o novo sistema híbrido tem um desempenho melhor. Adicionalmente, alguns parâmetros, tais como condições do ambiente, efetividades do trocador de calor e do resfriador evaporativo, taxa do fluxo de massa, etc, que afetam o desempenho do sistema, são também analisados. 55 CAPÍTULO 2 DESEMPENHO DE UM RESFRIADOR EVAPORATIVO E DE UM DESUMIFICADOR ADSORTIVO Neste capítulo apresentam-se dois métodos que permitem avaliar a possibilidade de utilização dos sistemas evaporativos em função das condições climáticas do local, apresentam-se os resultados dos ensaios de desempenho de um equipamento de resfriamento evaporativo direto e faz-se uma análise dos principais parâmetros que afetam o desempenho dos desumidificadores por adsorção. 2.1 ZONAS DE CONFORTO TÉRMICO No estudo de conforto térmico, um índice que bem representa a sensação térmica é a Temperatura Efetiva (TE). Uma vez que a temperatura, a umidade e a movimentação do ar interagem de forma independente, é necessário considerá-las juntas, pois todos esses fatores contribuem para determinar a sensação de frio ou calor sentida pelo corpo humano. A Temperatura Efetiva é uma composição desses parâmetros e procura exprimir a temperatura na qual “a maioria das pessoas se sente bem”, levando em conta o tempo de exposição e os efeitos da umidade e da movimentação do ar. Testes realizados por Yaglou, em 1923, na cidade de Pittsburgh, EUA. resultaram na Carta de Conforto ASHRAE (Figura 2.1). Apesar de ter sido feita em Pittsburgh, com trabalhadores homens usando roupas para residência ou escritório, ela resultou no mais conhecido índice ou nas condições internas desejáveis, e é utilizada por toda a indústria de condicionamento de ar. Esta carta é apresentada como um nomograma de modo a facilitar a resolução de problemas de conforto. Os dois eixos à esquerda e à direita representam, respectivamente, as temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido do ar. Entre elas, no meio do nomograma, aparecem as linhas que representam as velocidades do ar, variando desde 0,1 m/s até 3,5 m/s. Para determinar a temperatura efetiva liga-se a temperatura de bulbo seco à temperatura de bulbo úmido através de uma linha reta. Do ponto onde esta linha cruza a linha de velocidade do ar lê-se, na escala inferior, a temperatura efetiva. 56 80 1 00 % 60 40 20 T E M P E R A T U R A D E B U L B O S E C O ( ºC ). 0,1 20 30 10 25 15 35 40 T E M PE R A T U R A D E B U L B O Ú M ID O ( ºC ). ZO N A D E CO N FO RT O TE M PE R AT U R A E FE TI VA 2,5 1,5 1,0 0,5 3,5 35 20 15 25 30 Figura 2.1 – Carta de conforto ASHRAE (CAMARGO, 2000) Na parte superior das linhas de velocidades é mostrada uma zona de conforto e a pequena escala a direita dessa zona representa o percentual de pessoas que se sentem confortáveis naquela respectiva temperatura efetiva. Como a carta de temperaturas efetivas da ASHRAE não leva em conta a quantidade de radiação solar incidente, um aumento de aproximadamente 0,5oC deve ser feito na temperatura efetiva para cada 5 graus de redução na latitude norte a partir da latitude de 41o (WATT, 1963; WATT; BROWN,1997), ou seja, a zona de conforto mostrada na Figura 2.1 se move para a direita de aproximadamente 0,5oC a cada redução de 5o na latitude. Uma carta psicrométrica que inclui a zona de conforto da ASHRAE, é mostrada na Figura 2.2a. Esta zona de conforto foi depois expandida para resfriamento evaporativo (Figura 2.2b), conforme apresentado por Crow (1972) e pela ASHRAE (1995). Devido à forma da zona de conforto expandida da ASHRAE tem-se que a curva de umidade relativa de 80% é o limite superior para o resfriamento evaporativo, podendo ser usada a umidade relativa de 70% como um limite alternativo em ambientes com pouca ventilação ou onde a umidade pode prejudicar os produtos ou objetos dentro do ambiente. 57 15 20 25 30 35 40 20 25 30 0,010 0,002 0,006 0,008 0,012 0,014 0,016 0,018 0,022 0,024 0,026 0,020 0,028 0,004 90% 0,9 volum e específ ico em m /kg 3 35 20 30 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 U m id ad e ab so lu ta e m k g va po r/ k g ar s ec o Temperatura de bulbo seco ºC En ta lp ia e m k J/ kg Te m pe ra tu ra d e sa tu ra çã o ºC 30% 40 % 50 % 60 %70 % 80 % 25 15 Temperatura de bulbo úmido 15 20 25 30 35 40 20 25 30 0,010 0,002 0,006 0,008 0,012 0,014 0,016 0,018 0,022 0,024 0,026 0,020 0,028 0,004 90% 0,9 volum e específ ico em m /kg 3 35 20 30 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 U m id ad e ab so lu ta e m k g va po r/ k g ar s ec o Temperatura de bulbo seco ºC En ta lp ia e m k J/ kg Te m pe ra tu ra d e sa tu ra çã o ºC 30% 40 % 50 % 60 %70 % 80 % 25 15 Temperatura de bulbo úmido 0,5 1,5 3,0 m /s (a) (b) Figura 2.2 – Zonas de conforto ASHRAE. (a) representa a zona de conforto para inverno e verão de acordo com a temperatura efetiva e (b) representa a mudança relativa na zona de conforto para o resfriamento evaporativo (CAMARGO, 2000) A zona à esquerda representa a velocidade de circulação do ar de 0,5 m/s. Seu eixo central (não representado), onde a maioria se sente confortável, indica uma temperatura efetiva de 23,9oC. A zona central representa a velocidade de 1,5 m/s dando o m