diagnóstico termodinâmico aplicado a um sistema de refrigeração por compressão de vapor

204 Pages·2012·2.44 MB·English

by  Tiago Mendes

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

DIAGNÓSTICO TERMODINÂMICO APLICADO A UM
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO
DE VAPOR

Autor: Tiago Mendes
Orientador: Prof.Dr. Osvaldo José Venturini
Co-orientador: Prof. Dr. Marcelo José Pirani

Itajubá, Fevereiro de 2012
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

DIAGNÓSTICO TERMODINÂMICO APLICADO A UM
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO
DE VAPOR

Autor: Tiago Mendes
Orientador: Prof. Dr. Osvaldo José Venturini
Co-orientador: Prof. Dr. Marcelo José Pirani
Curso: Mestrado em Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Conversão de Energia
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica como
parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Itajubá, Fevereiro de 2012
MG – Brasil
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

DIAGNÓSTICO TERMODINÂMICO APLICADO A UM
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO
DE VAPOR
Autor: Tiago Mendes
Orientador: Prof. Dr. Osvaldo José Venturini
Co-orientador: Prof. Dr. Marcelo José Pirani

Composição da Banca Examinadora:
Prof. Dr.Flávio Neves Teixeira – DCTEF/UFSJ

Prof. Dr. José Carlos Escobar Palacio- IEM/UNIFEI
Prof. Dr. Marcelo José Pirani - IEM/UNIFEI

Prof. Dr. Osvaldo José Venturini - IEM/UNIFEI
Dedicatória
Aos meus pais, aos meus amigos e a todos os companheiros de trabalho.
AGRADECIMENTOS
Ao meu Orientador, Prof. Dr. Osvaldo José Venturini, pela competência, dedicação,
paciência e amizade.
Ao meu Co-orientador, Prof. Dr. Marcelo José Pirani, pela colaboração e amizade.
Aos amigos, Lourenço, Jacó, Valadão, Túlio, Cristina, Daniel e aos colegas do NEST,
pelo permanente incentivo, colaboração, amizade e momentos de convívio profissional.
Aos Professores da Universidade Federal de Itajubá, pelo apoio e valiosas sugestões,
que contribuíram para a elaboração deste trabalho.
Ao Instituto de Engenharia Mecânica da UNIFEI, representado pelos seus dedicados
Professores e Funcionários, pela oportunidade que me concedeu na realização deste trabalho,
e aos amigos desse Instituto, pelo convívio profissional.
A FAPEMIG, através do Programa de bolsas, pelo apoio financeiro.
Aos meus pais, Luis Flávio Mendes e Maria Eunice Oraboni Mendes, minhas irmãs
Tainara Mendes e Mayra Mendes, que sempre me incentivaram na formação e no
desenvolvimento cultural.
“Todos morrem, poucos vivem”
RESUMO
Mendes, T. (2012), Diagnóstico Termodinâmico Aplicado a um Sistema de Refrigeração por
Compressão de Vapor, Itajubá, MG, 179p. Dissertação (Mestrado em Conversão de
Energia) - Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá.
Atualmente verifica-se uma maior utilização de processos para conservação e produção
de alimentos através de refrigeração, assim como o aumento da demanda por ambientes
climatizados em diversos seguimentos da sociedade. Assim, é de extrema importância que se
obtenha cada vez mais controle sobre os equipamentos utilizados nessas instalações, com o
intuito de fazer com que operem com a máxima eficiência em todas as condições. Isto permite
obter uma redução significativa do consumo de energia a nível global, uma vez que os
equipamentos de refrigeração e ar condicionado são grandes consumidores de eletricidade,
principalmente no setor terciário. No presente trabalho efetua-se uma revisão bibliográfica
sobre os métodos de diagnóstico termodinâmico aplicados a sistemas de refrigeração e ar
condicionado. Em seguida, são desenvolvidos modelos matemáticos para simulação dos
principais equipamentos de um sistema de refrigeração, de forma que seja possível aplicar o
diagnóstico termodinâmico ao mesmo. Através dos modelos computacionais podem ser
simuladas diversas condições de operação, e calculados os índices de desempenho dos
sistemas e dos equipamentos individuais, podendo assim determinar as conseqüências de
anomalias operacionais sobre o desempenho dos mesmos. Por último uma aplicação de
diagnóstico termoeconômico em formato de um estudo de caso, contemplando um sistema de
refrigeração é apresentada e seus resultados discutidos.
Palavras chave: Diagnóstico termodinâmico; Diagnóstico termoeconômico; sistemas
de refrigeração e ar condicionado; consumo de energia; modelagem computacional.
i
ABSTRACT
Mendes, T. (2012), Thermodynamic Diagnostic Applied the Compression Vapor
Refrigeration System, MG, 179p. Dissertation (Master in Energy Conversion) - Institute
of Mechanical Engineering, Federal University of Itajubá.
Nowadays, there is an extensive use of the chilling or freezing processes in the food
industry by means of the mechanical refrigeration, either during production or storage of
manufactures food. Thus, it is of extreme importance to have a close control over the
equipment used in these facilities, in order to make them able to operate at maximum
efficiency under all conditions. Considering that the refrigeration and air conditioning systems
are huge consumers of electricity, it is clear that this practice allows for a significant reduction
in energy consumption at global level. In this work, it is initially performed a literature review
on thermodynamic diagnostic methods applied to refrigeration and air conditioning systems.
Then, mathematical models are developed for the simulation of the main components of a
mechanical refrigeration system. These models are later used in the application of
thermodynamic diagnostic technique on a hypothetical refrigeration system. Various
operating conditions can be simulated through the use of the developed mathematical models,
so it is possible to determine the performance of the whole system and also of its individual
components. Thus, it is also possible to determine the consequences of operational
malfunctions on the performance of these components. Finally, the thermoeconomic
diagnostic technique is applied to a case study, comprising a mechanical refrigeration system,
and the results are shown and discussed.
Keywords: Thermodynamic diagnosis; Thermoeconomic diagnosis; refrigeration
system and air conditioned; energy consumption; computer modeling.
ii

SUMÁRIO
DEDICATÓRIA .................................................................................................................... IV
AGRADECIMENTOS ............................................................................................................ V
ABSTRACT .............................................................................................................................. I
SUMÁRIO ................................................................................................................................ II
LISTA DE TABELAS ........................................................................................................... IX
SÍMBOLOGIA ................................................................................................................... XIII
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................ 1
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 1
1.1. MOTIVAÇÃO E JUSTIFICATIVA ...................................................................................................... 1
1.2. IMPLICAÇÕES EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO ....................... 2
1.3. DEFINIÇÃO DE DIAGNÓSTICO TERMODINÂMICO ................................................................... 5
1.4. OBJETIVO E ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO.............................................................................. 6
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................ 8
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................... 8
2.1. DIAGNÓSTICO TERMODINÂMICO ................................................................................................. 8
2.1.1. MÉTODO TERMOECONÔMICO.................................................................................................................. 9
2.1.2. MÉTODO DA RECONCILIAÇÃO ............................................................................................................... 11
2.1.3. MÉTODO DA ANÁLISE QUANTITATIVA DA CAUSALIDADE .................................................................... 13
2.1.4. MÉTODO DA TERMO-CARACTERIZAÇÃO ............................................................................................... 14
iii
2.1.5. MÉTODO DA DISSIPAÇÃO DA TEMPERATURA ........................................................................................ 15
2.1.6. MÉTODOS BASEADOS EM INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL ........................................................ 18
2.1.6.1. LÓGICA FUZZY.............................................................................................................................. 18
2.1.6.2. FILTRO DE KALMAN ..................................................................................................................... 19
2.1.6.3. REDE BAYESIAN ............................................................................................................................ 20
2.1.6.4. ALGORITMOS GENÉTICOS ............................................................................................................ 20
2.1.7. IMPLICAÇÕES SOBRE OS MÉTODOS ....................................................................................................... 21
2.2. DIAGNÓSTICO APLICADO A REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO POR
COMPRESSÃO DE VAPOR................................................................................................................ 24
2.3. IMPLICAÇÕES SOBRE OS MÉTODOS EM REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO ....... 48
CAPÍTULO 3 .......................................................................................................................... 50
3. MODELAGEM MATEMÁTICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO ........... 50
3.1. SIMULAÇÃO DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO ....................................................................... 52
3.2. COMPONENTES PRINCIPAIS DE UM SISTEMA FRIGORÍFICO POR COMPRESSÃO
DE VAPOR ............................................................................................................................................ 54
3.2.1. COMPRESSOR .......................................................................................................................................... 56
3.2.2. CONDENSADOR ....................................................................................................................................... 59
3.2.3. EVAPORADOR ......................................................................................................................................... 62
3.2.4. DISPOSITIVO DE EXPANSÃO ................................................................................................................... 63
3.3. ANÁLISE EXERGÉTICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO ....... 69
3.4. ANÁLISE TERMOECONÔMICA ...................................................................................................... 76
3.4.1. ANÁLISE TERMOECONÔMICA NO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO ...................... 77
3.4.2. DIAGNÓSTICO TERMOECONÔMICO ....................................................................................................... 82
CAPÍTULO 4 .......................................................................................................................... 86
4. ESTUDO DE CASO ................................................................................................... 86