Desenvolvimento e otimização de um sistema de refrigeração solar por adsorção

Abstract

A presente Tese apresenta um estudo experimental e de simulação computacional do funcionamento, avaliação de desempenho e otimização de um frigorífico solar, que funciona com um ciclo de refrigeração por adsorção, usando o par sílica-gel e água, utilizando exclusivamente energia solar térmica como fonte de energia. Começa-se por fazer uma introdução ao tema, descrevendo os princípios de funcionamento do frigorífico solar por adsorção, o modo de avaliar o seu desempenho, e caracterizando os materiais adsorventes mais comuns. Faz-se também uma descrição sucinta dos tipos de coletores solares que podem ser utilizados nestes sistemas. Apresenta-se, então, uma revisão bibliográfica analisando os trabalhos de investigação mais significativos nesta área. Com base na informação recolhida do estudo comparativo do desempenho de vários pares adsorvente-adsorvato, e em particular do par sílica-gel e água, foi projetado e construído um protótipo de um frigorífico solar por adsorção, com um coletor solar plano de 1 m2 de área, em cujo interior foram colocados 30 kg de sílica-gel seca. O sistema funciona com pressões internas muito inferiores à pressão atmosférica, devendo garantir a manutenção das condições de vácuo [a pressão interna varia entre um valor mínimo de 300 ou 400 Pa até valores máximos da ordem de 10000 Pa (pressões absolutas)]. A condensação da água dá-se num condensador arrefecido por convecção, em contacto com o ar atmosférico. A produção de frio decorre da vaporização da água no evaporador, que fica alojado no interior da caixa refrigerada (reservatório de frio). O frigorífico solar foi testado e ensaiado em Coimbra, num local sem qualquer sombreamento. Durante os primeiros testes surgiram vários problemas relacionados com a dificuldade de manter o nível de vácuo exigido para realizar sucessivos ciclos de adsorção, tendo-se procedido a melhorias na estanquidade das tubagens e à eliminação de materiais vedantes que libertam compostos voláteis não condensáveis. A resolução dos problemas que afetaram o funcionamento do frigorífico solar foi algo morosa e delicada, mas finalmente os ensaios experimentais decorreram com sucesso, conseguindo o frigorífico solar manter a temperatura na câmara frigorífica próxima dos 0°C durante todo o dia, mesmo em dias muito quentes, embora o desempenho obtido seja ligeiramente inferior ao esperado. O valor do COP obtido experimentalmente foi de cerca de 0.07, mas os cálculos teóricos previam um valor de cerca de 0.12. Foi desenvolvido um modelo computacional que permite simular o funcionamento do frigorífico solar, o qual foi validado com os dados experimentais recolhidos. Usando o modelo numérico, efetuou-se um estudo paramétrico analisando a influência, sobre o desempenho do frigorífico solar, da quantidade de sílica-gel, do número de alhetas no interior do adsorsor, do azimute do coletor solar, da área do condensador, da superfície de vaporização no interior do evaporador, do aumento do coeficiente de transmissão de calor associado ao arrefecimento noturno, da resistência térmica de contacto entre a sílica-gel e a superfície interna do coletor, das propriedades radiantes da placa do coletor solar e do isolamento térmico da caixa frigorífica. Os resultados deste estudo conduziram aos valores dos parâmetros que otimizam o desempenho do frigorífico solar, o qual é consideravelmente melhor que o do protótipo construído. No entanto, por falta de recursos e de tempo, não foi possível construir e ensaiar a versão otimizada do frigorífico solar. Adicionalmente, estudaram-se algumas aplicações práticas do ciclo de adsorção, mesmo se com configurações diferentes da do frigorífico solar, incluindo a possibilidade de climatizar um espaço, tanto em arrefecimento como em aquecimento, e a possibilidade de produção de frio instantâneo. Concluiu-se que o desempenho destes sistemas é relativamente modesto, com coeficientes de desempenho a variar tipicamente entre 0.10 e 0.20, com potências frigoríficas médias diárias de cerca de 75 W por m2 de coletor, valores que, mesmo baixos, ganham relevo atendendo a que o sistema utiliza exclusivamente energia solar, sem custos e abundante no verão, quando são maiores as necessidades de arrefecimento.