REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7818003
Eliezer dos Santos Oliveira
Resumo: O presente trabalho visa realizar a adaptação do sistema de refrigeração de um bebedouro de coluna para produzir água potável, utilizando o vapor d’água do ar atmosférico. A partir de mudanças, que incluíram a instalação de um ventilador, alteração da carga de fluido refrigerante e do comprimento do tubo capilar, o protótipo foi montado. Utilizando termopares foram coletados dados de funcionamento do sistema, assim como efetuado o monitoramento do consumo de energia e da taxa de produção de água para calcular a eficiência desse mecanismo. Os resultados foram satisfatórios, resultando em uma taxa de 0,144 litros por hora, consumo de 0,763 kWh por litro e custo de R$ 0,36 por litro.
Palavras-chave: Gerador de Água Potável, Projeto de Refrigeração, Vapor d’água.
Abstract: The present work aims to make the adaptation of the cooling system of a column drinking fountain to produce potable water, using the water vapor from the atmospheric air. Trough changes that included installing a fan, changing the refrigerant charge and the length of the capillary tube, the prototype was assembled. Using thermocouples, system functioning data were collected, as well as monitoring of energy consumption and water production rate to calculate the efficiency of this mechanism. The results were satisfactory, resulting in a rate of 0.144 liters per hour, consumption of 0.763 kWh per liter and cost of R$ 0.36 per liter.
Keywords: Drinking Water Generator, Refrigeration Project, Water Vapor.
1 Introdução
Um dos elementos primordiais para a sobrevivência dos seres vivos é a água, sendo que as primeiras civilizações se desenvolveram próximo a rios e lagos, principalmente para auxiliar na agricultura. Dado o problema de escassez de água e má distribuição dos recursos hídricos, algumas fontes alternativas para obtenção de água potável têm sido buscadas.
O vapor de água presente na atmosfera tem se mostrado uma fonte promissora para a produção de água potável, visto que é um recurso acessível e, com o uso de equipamentos adequados, capaz de gerar água limpa quase que instantaneamente. Os equipamentos utilizados para produzir água, a partir do ar atmosférico, geralmente são semelhantes aos desumidificadores. O problema desses equipamentos é a baixa taxa de produção de água e alto consumo de energia.
O escopo desse trabalho de conclusão de curso é desenvolver um equipamento gerador de água potável a partir da umidade do ar de modo que ele seja portátil, funcione através do princípio de compressão de vapor e que possa trabalhar utilizando uma fonte renovável de energia. Para fins de simplificação e redução de custos será feita a adaptação a partir de um bebedouro de coluna.
1.1 Justificativa
Escassez no fornecimento de água para pessoas, animais e plantações é um problema que vem se agravando nos últimos anos, principalmente devido ao crescimento populacional e às mudanças climáticas. As fontes convencionais de suprimento de água, tanto superficial quanto subterrânea, têm se mostrado insuficientes para atender a demanda crescente. Algumas medidas como a conservação da água e melhoras na eficiência de distribuição são eficazes, porém, não garantem que será fornecida quantidade suficiente simultaneamente para pessoas, indústria e comércio. A solução que vem sendo adotada com bastante frequência é a dessalinização, porém há alguns impactos gerados ao meio ambiente através desta técnica, como por exemplo a grande quantidade de salmoura residual criada. A tecnologia de produção de água a partir do ar atmosférico é difícil de competir com outros métodos que gastam bem menos energia, porém há várias situações em que essa é a solução mais viável a ser adotada.
As características da Região Nordeste fornecem uma excelente oportunidade para investigar o processo de extração de água do ar atmosférico. Cerca de 14,7% das pessoas não têm acesso a água tratada nas áreas urbanas e 81,7% nas áreas rurais. A situação é ainda mais grave no Ceará (92% da população rural não tem acesso) e na Paraíba (89,7%). Como a incidência solar e eólica é abundante durante todo o ano, a Região Nordeste apresenta um grande potencial para produzir energia solar e eólica para alimentar geradores de água potável (REYMÃO, 2009).
Uma pesquisa recente revela que 2/3 da população mundial enfrenta problemas de escassez de água pelo menos durante um mês do ano, o que equivale a cerca de 4 bilhões de pessoas. De maneira ainda pior, 500 milhões de pessoas enfrentam problemas severos de escassez. Por outro lado, 1,7 milhões de pessoas morrem por ano devido a problemas de baixa qualidade da água e de saneamento básico. A disponibilização de água de boa qualidade é fundamental para o crescimento econômico de pequenas comunidades, localizadas em áreas remotas (YAODONG, 2018).
Nos últimos anos a intensidade e frequência dos desastres naturais tem aumentado, sobretudo devido às mudanças climáticas. Uma das prioridades após um desastre natural é o fornecimento de água potável. Normalmente são enviados galões e caminhões pipa para as populações afetadas, porém, essa atividade representa um grande custo e apresenta uma limitação de capacidade de água a ser transportada. Nessas condições, o gerador de água potável a partir da umidade do ar é a solução mais viável, podendo ser também acionado a partir de fontes renováveis de energia.
Um gerador de água potável deve satisfazer 5 critérios: ser eficiente, ser barato, trabalhar em diversas escalas, larga faixa de operação e ser estável o suficiente para operar durante o ano inteiro ou a estação seca inteira. Atualmente nenhum dos geradores disponíveis comercialmente satisfazem todos esses cinco critérios. Do ponto de vista termodinâmico, a principal causa é a baixa eficiência energética do processo (WAHLGREN,2016).
O presente trabalho busca um sistema compacto, eficiente e que produza água potável a partir da condensação da umidade do ar atmosférico. Visando a simplificação do projeto, e principalmente redução dos custos, será realizada a adaptação de um bebedouro de coluna para atender as finalidades desejadas. O bebedouro de coluna escolhido funciona com um compressor de apenas 1/12 HP e a estrutura em coluna possibilitará a instalação de novos componentes.
1.2 Objetivos
Objetivo Geral
O objetivo geral é desenvolver um protótipo para obtenção de água potável através da condensação do vapor d’água presente na atmosfera.
Objetivos Específicos
– Estudar o processo de condensação do vapor d’água do ar atmosférico
– Definir as alterações necessárias em um bebedouro de coluna para produzir água potável a partir da umidade do ar
– Montar o sistema
– Coletar dados como quantidade de água produzida, consumo de energia e eficiência do sistema
– Discutir os resultados e apresentar propostas de melhoria
2 Revisão Bibliográfica
Geradores de água potável a partir do ar atmosférico são conhecidos internacionalmente como AWG (Atmospheric Water Generator). Eles alteram o estado da água do ar de vapor para líquido. A maioria dos AWG’s utilizam o processo de desumidificação, uma tecnologia confiável e já utilizada há décadas. O produto condensado é instantaneamente disponível para tratamento. A desumidificação é mais eficaz em regiões de alta temperatura e umidade, condições presentes em países de clima tropical, porém também é possível realizar esse processo em regiões temperadas durante primavera, outono e verão (WAHLGREN, 2016).
Duas propriedades importantes no processo de produção de água a partir do ar atmosférico são a densidade do vapor d’água e o ponto de orvalho. Três variáveis são usadas para calcular a densidade do vapor de água: temperatura do ar, umidade relativa ou ponto de orvalho ou temperatura de bulbo úmido, e pressão barométrica.
AWG’s geralmente contém uma serpentina refrigerada, cuja temperatura de superfície é mantida vários graus abaixo do ponto de orvalho. Nessa situação, as moléculas de água do ar perdem energia cinética e a velocidade média de agitação é diminuída. Isso faz com que as forças intermoleculares ajam de modo que sejam promovidas ligações de hidrogênio das moléculas de água, mudando sua fase de vapor para líquido. O vapor de água que entra na máquina é condensado na forma de gotas de água líquida na serpentina. O congelamento da serpentina pode causar danos aos componentes do sistema. Geralmente desumidificadores são projetados para desligar automaticamente quando a temperatura da superfície da serpentina fica abaixo de 5ºC (WAHLGREN, 2016).
Apesar de 1 metro cúbico de ar conter uma quantidade bem pequena de água, quantidade superior a 18,9 L de água pode ser produzida a partir de equipamentos de escala residencial. Uma avaliação feita sob temperatura de 26,7ºC e 60% de umidade relativa aponta que 1 metro cúbico de ar contém 15,3 gramas de água. A produção de água varia com a localização e a estação do ano (WAHLGREN, 2016).
O ar que entra no gerador de água potável é filtrado antes de passar pela superfície fria. Quando gotas d’água são formadas nessa superfície, elas caem no coletor. Essa água é tratada através de filtros e luz ultravioleta antes de entrar no reservatório.
Ao longo da história, muitas pessoas se interessaram por métodos alternativos de produção de água potável. A tecnologia de remoção de água do ar atmosférico está presente na patente americana número 661944 emitida por E. S. Belden em 20 de novembro de 1900 (WAHLGREN, 2016). O esboço da patente pode ser observado na Figura 1.
Figura 1 – Patente de gerador de água potável a partir do ar de 1900
Fonte: WAHLGREN (2016)
Um importante estudo dos processos de produção de água potável a partir de vapor de água atmosférico foi apresentado por Roland V. Wahlgren, em 2001. Ele concluiu que as tecnologias de processamento de vapor d’ água atmosférico podem ser concorrentes da dessalinização, tendo captação de água semelhante e menor custo de implantação, manutenção e operação. O mesmo autor faz uma análise das formas de processamento do vapor d’água do ar atmosférico, sendo elas: o resfriamento de superfícies através de refrigeradores ou resfriamento radiativo, concentração de vapor d’água através de substâncias dessecantes e convecção induzida ou controlada em uma estrutura (WAHLGREN, 2001).
Silva e de Souza (2009) realizaram um experimento nos municípios paraibanos de Campina Grande e São João do Cariri para verificar a taxa de produção de água por metro quadrado de área resfriada para as condições de regiões semiáridas do Nordeste brasileiro. Esse experimento rendeu bons resultados, estabelecendo valores de 1,23 L.h-1m-2 com consumo de energia de 0,75 KWh . O aparato experimental pode ser observado na Figura 2.
Figura 2 – Aparato experimental utilizado por Silva e de Souza (2009).
Fonte: SILVA (2009)
Miranda realizou ensaios em 2016 utilizando um desumidificador comercial para avaliar a viabilidade da produção de água potável utilizando equipamentos de refrigeração por compressão de vapor. Uma das constatações foi que esse tipo de sistema possui gastos inferiores ao da dessalinização e capacidade de produção mais constante do que sistemas que utilizam substâncias dissecantes (MIRANDA, 2016).
2.1 Umidade
As equações desta seção têm como referência Neto (2019). Umidade refere-se à quantidade de vapor d’água presente no ar, dividindo-se em umidade absoluta e umidade relativa. Umidade absoluta ω é a razão entre as massas de vapor d’água mv e ar seco ma presentes na mistura:
Uma simplificação usualmente feita é considerar o ar como uma mistura de dois gases perfeitos. Considerando a lei de mistura de Dalton é possível obter:
onde V é o volume da mistura, T a temperatura da mistura, P as pressões parciais dos gases e R suas constantes particulares. Substituindo esses valores na Equação 1 resulta em:
como os valores das constantes dos gases são inversamente proporcionais às massas moleculares então:
podendo assim obter a Equação 6 para massa molecular do vapor igual a 18,01534 e do ar igual a 28,9645:
como P representa a pressão total da mistura, que é a soma das pressões Pa e Pv então:
Essa expressão da umidade absoluta decorre da hipótese do comportamento ideal dos gases, porém, sua validade fica comprometida quando a pressão parcial do vapor se aproxima da pressão total da mistura.
A razão entre a fração molar do vapor de água presente na mistura xv e a fração molar do vapor de água que a mistura teria, caso estivesse saturada xvs, é a umidade relativa ϕ:
Levando em consideração a equação dos gases perfeitos e a definição de fração molar, a umidade relativa também pode ser expressa por:
A Equação 9 mostra que a umidade relativa de uma mistura de ar úmido é dada pela razão entre a pressão parcial do vapor d’água na mistura Pv, e a pressão parcial que o vapor d’água teria caso a mistura estivesse saturada Pvs. A umidade relativa é geralmente expressa em termos de porcentagem, sendo 0% para o ar seco e 100% para o ar úmido saturado.
O grau de saturação μ é a razão entre a umidade absoluta do ar e a umidade absoluta do ar saturado:
substituindo as expressões das Equações 7 e 9 é possível encontrar uma correspondência entre o grau de saturação e a umidade relativa:
observa-se que, quando a pressão parcial de vapor for pequena com relação à pressão da mistura (que ocorre geralmente até 35ᵒC sob pressão normal), o valor do grau de saturação será praticamente igual ao da umidade relativa.
O volume específico do ar seco é dado pela razão entre o volume da mistura e a massa de ar seco:
utilizando a equação dos gases perfeitos tem-se:
modificando a equação utilizando a expressão da Equação 7 resulta em:
Pode-se notar que quanto maior for a umidade absoluta, maior será o volume específico do ar úmido. Isso significa que o ar úmido é mais “leve” que o ar seco, o que também implica a facilidade com que o ar úmido se dispersa na atmosfera em torno dos equipamentos evaporativos e no ciclo da água na atmosfera.
A entalpia total da mistura H é dada pelas contribuições das entalpias isoladas do ar seco e do vapor d’água:
A entalpia específica da mistura h é obtida dividindo-se a equação anterior pela massa de ar seco:
considerando que a umidade absoluta é a razão entre as massas de vapor e ar seco, a entalpia específica pode ser expressa por:
Do mesmo modo que ocorre com o volume específico, a entalpia da mistura referente ao ar úmido é ligeiramente menor que a do ar seco. A relação entre as duas definições é:
O calor específico relativo à massa de ar seco é dado pela combinação dos calores específicos do ar seco Cpa e do vapor de água Cpv:
Os seguintes valores de calor específico do ar seco e do vapor de água se aplicam à condição ambiente: Cpa=1,006kJ/kgᵒC e Cpv=1,872kJ/kgᵒC.
Temperatura de bulbo seco refere-se apenas à temperatura indicada por um termômetro comum. O termo bulbo seco foi adicionado ao termo temperatura apenas para diferenciar da temperatura de bulbo úmido. Temperatura ou ponto de orvalho é a temperatura onde inicia a condensação de vapor d’ água contido no ar úmido, quando o resfriamento ocorre sob pressão constante. Conforme o diagrama temperatura-volume específico da água (Figura 3), inicialmente o vapor de água do ar está no estado “1”. Conforme o ar é resfriado, o estado do vapor de água percorre a linha isobárica que representa a pressão parcial do vapor de água na mistura. Prosseguindo com o processo de resfriamento será alcançado o estado 2, a partir desse ponto qualquer resfriamento adicional resultará na condensação do vapor, pois foi atingido o estado de vapor saturado. O nome que se dá a essa temperatura é temperatura ou ponto de orvalho.
Figura 3 – Diagrama Temperatura X Volume Específico da Água
Fonte: NETO (2019)
Um instrumento muito utilizado para obter as propriedades do ar úmido é o psicômetro. Ele fornece duas temperaturas, a temperatura de bulbo úmido e a temperatura de bulbo seco. Os elementos básicos de um psicrômetro estão indicados na Figura 4. Dois termômetros com o bulbo envolvido por um material úmido é o termômetro de bulbo úmido. O outro termômetro acusa a temperatura do fluxo de ar.
Quando uma corrente de ar úmido circula pelo equipamento, um processo simultâneo de transferência de calor e massa ocorre no material umedecido. Parte da água do material começa a evaporar causando uma redução de temperatura. Após um certo intervalo de tempo é estabelecido um equilíbrio dinâmico, pois o calor cedido pelo ar é destinado a evaporar a água do material umedecido. O termômetro indicará a temperatura de bulbo úmido quando o processo de regime permanente é estabelecido.
Figura 4 – Elementos Básicos do Psicrômetro
Fonte: NETO (2019)
2.2 Diagrama Psicrométrico
Carta ou diagrama psicrométrico é um gráfico onde se pode obter o traçado de diversos processos, como também determinar os estados e propriedades do ar úmido. O processo de construção desse diagrama está baseado no fato de que o estado termodinâmico de uma mistura de dois gases, como o ar, é determinado por 3 propriedades independentes. Portanto, se uma das três propriedades for mantida constante, as outras duas podem formar os eixos de um gráfico no plano do papel.
Richard Mollier foi o pioneiro na utilização do diagrama psicrométrico umidade absoluta x entalpia. Nesse diagrama, o eixo da umidade absoluta está na vertical e a escala é colocada à direita do diagrama. As linhas de entalpia são inclinadas em relação à vertical. A Figura 5 apresenta o aspecto construtivo desse diagrama.
Figura 5 – Diagrama Psicrométrico
Fonte: NETO (2019)
2.3 Processo de Desumidificação
Desumidificação por resfriamento é um processo em que o fluxo de ar é resfriado até uma temperatura inferior à temperatura do orvalho. Como consequência, parte do vapor de água irá condensar. A temperatura média da água condensada ficará entre a temperatura de orvalho do estado inicial do ar e a do estado final. Como
observado na Figura 6, o processo de desumidificação por resfriamento percorre uma trajetória curva apontando para a linha de saturação.
Figura 6 – Ilustração do Processo de Desumidificação
Fonte: NETO (2019)
Se o processo de resfriamento atravessar uma serpentina grande o suficiente, então o estado final do processo será o estado 2’, que é a temperatura da superfície da serpentina, com o ar em 100% de umidade relativa e temperatura igual à da serpentina na saída. Porém, o mais comum é que o ar alcance uma temperatura intermediária como no ponto 2. Das equações de conservação de massa e energia, para o ar que circula no dispositivo de desumidificação, o seguinte balanço de massa para o ar seco e o vapor de água:
onde ma é a vazão mássica total do ar, ma1 é a vazão mássica de ar na entrada da serpentina, ma2 é a vazão mássica de ar na saída da serpentina, mv1 é a vazão mássica de vapor d’água na entrada da serpentina, mv2 é a vazão mássica de vapor d’água na saída da serpentina e mL é a vazão mássica da água condensada.
Da definição de umidade absoluta:
onde 1 é a umidade absoluta na entrada da serpentina e 2 é a umidade absoluta na saída da serpentina. Portanto, a vazão mássica do líquido condensado pode ser expressa como:
sendo que o fluxo de calor cedido pelo ar para a serpentina é:
onde Q é o fluxo de calor, h2 é a entalpia do ar na entrada da serpentina e hL é a entalpia da água condensada. Substituindo a Equação 24 e dividindo pelo fluxo de massa de ar seco pode-se obter a entalpia específica do sistema ∆h:
2.4 – Geração de Água Potável a partir do Ar Atmosférico
O processo de obtenção de água potável a partir do ar atmosférico pode ser obtido através de um ciclo de refrigeração, cuja temperatura de evaporação esteja abaixo da temperatura de ponto de orvalho do ar atmosférico e superior à temperatura de congelamento da água na pressão atmosférica. O esquemático de um equipamento está ilustrado na Figura 7. O equipamento é composto por serpentinas de evaporação e condensação, compressor e válvula de expansão ou outro dispositivo de expansão (tubo capilar ou orifício). A água condensada sobre os tubos frios da serpentina evaporadora escorre na direção vertical, vindo a se acumular no reservatório. Quanto maior a umidade relativa do local, maior será a vazão mássica de água líquida mL que se obtém. Um sistema de tratamento de água também é incorporado para eliminar impurezas, bem como para adicionar sais minerais.
Figura 7 – Esquemático de Gerador de Água do Ar Atmosférico
Fonte: NETO (2019)
3 Metodologia
3.1 Critérios de Operação do Aparelho
De modo a simplificar o projeto e reduzir os custos, foi realizada a adaptação a partir de um bebedouro de coluna para construir o gerador de água potável através do vapor d’água do ar atmosférico. Para que o objetivo de produção de água seja alcançado, é necessário alterar alguns parâmetros do sistema de refrigeração. Em princípio, deve-se selecionar uma temperatura do evaporador acima do ponto de congelamento da água e abaixo do ponto de orvalho.
Como o objetivo do equipamento é produzir água durante o ano inteiro, então foi selecionada a temperatura de ponto de orvalho para as condições mínimas de temperatura e umidade do local dos testes, que é a cidade de Aracaju. A temperatura média mínima na capital sergipana é de 22,1ᵒC e a umidade relativa média mínima é de 76%, conforme pode ser observado na Figura 8.
Figura 8 – Dados climatológicos de Aracaju
Fonte: CLIMATE-DATA.ORG (2021)
Utilizando a carta psicrométrica da Figura 9 foi encontrada a temperatura de ponto de orvalho de 17,7ᵒC. Portanto, para que o sistema produza água e não congele a umidade do ar foi adotada a temperatura de 10ᵒC no evaporador.
Figura 9 – Localização de Parâmetros na Carta Psicrométrica
Fonte: AUTOR (2021)
3.2 Sistema Original do Bebedouro e Alteração Prevista
O Bebedouro que será utilizado no projeto é da marca IBBL modelo BAG 40-C de 120 W. A vista explodida está presente na Figura 10. O compressor é da marca EMBRACO modelo EM IS20HHR com 1/12 HP de potência. O método de expansão é através de um tubo capilar de 0,031” de diâmetro interno e 1,8 metros de comprimento. Conforme plaqueta indicativa da Figura 11 o sistema opera sob pressão de alta de 896 kPa, pressão de baixa 103 kPa, fluido refrigerante R134a com carga de 50 g. O sistema também conta com um filtro secador para evitar que impurezas e umidade possam obstruir o tubo capilar.
Figura 10 – Vista Explodida do Bebedouro IBBL BAG 40-C
Fonte: CATÁLOGO IBBL (2021)
O sistema opera sob temperatura de condensação de 45ᵒC e temperatura de evaporação de -15ᵒC. Utilizando o catálogo do compressor (Figura 12) é possível observar que nessa configuração ele opera uma vazão mássica de R134a de 2,15 kg/h. Além disso, apresenta uma capacidade de refrigeração de 110 W e consumo de 0,074 kWh. Se o sistema for utilizado na configuração original não será possível a obtenção de água a partir do ar atmosférico pois a temperatura negativa do evaporador irá congelar a umidade do ar.
Figura 11 – Plaqueta do Bebedouro
Fonte: AUTOR (2021)
Figura 12 – Especificações Técnicas do Compressor
Fonte: CATÁLOGO EMBRACO (2021)
Mantendo a temperatura de 45 graus no condensador e assumindo um subresfriamento de 3K, valor estimado a partir do sistema original, o sistema se comporta de acordo com o diagrama da Figura 13, elaborado com o auxílio do software Coolpack. Os métodos utilizados para atingir essa temperatura foram o redimensionamento do tubo capilar e da carga de gás refrigerante.
Figura 13 – Diagrama pressão-entalpia do sistema a ser dimensionado
Fonte: AUTOR (2021)
O ventilador é o equipamento responsável por proporcionar o fluxo de ar na serpentina do evaporador. O ventilador é da marca Ventisol, modelo mini20, com vazão de 0,0556m3/s. Foi escolhido esse modelo pois, apesar de pequeno, ele é bastante robusto, podendo funcionar por horas seguidas sem apresentar defeitos. O ventilador é exibido na Figura 14.
Figura 14 – Ventilador Ventisol mini20
Fonte: AUTOR (2021)
Com relação ao sistema de filtragem, foi utilizado o filtro original da IBBL. Porém, como esse filtro funciona por pressão, deverá ser utilizada uma bomba para forçar a passagem da água condensada no filtro. O reservatório utilizado será montado logo abaixo do evaporador. Uma parte do painel frontal será removida para permitir a circulação de ar. A Figura 15 apresenta um desenho do sistema.
Figura 15 – Desenho do Sistema
Fonte: AUTOR (2021)
3.3 Seleção do Comprimento do Tubo Capilar
O tubo capilar é o dispositivo de expansão que conecta o condensador ao evaporador, responsável pela queda de pressão e consequente diminuição de temperatura. A queda de pressão acontece devido dois fatores:
1-A fricção ocasionada pela viscosidade do fluido, ΔPf
2-A aceleração ocasionada pela vaporização do líquido refrigerante ΔPa
O fluido que escoa num tubo capilar está sujeito a dois gradientes de pressão. Através das equações de estado é possível definir o estado termodinâmico do fluido a partir de duas propriedades termodinâmicas. A partir desses dados, é definido o comprimento de cada elemento diferencial (Figura 16) e somando esses comprimentos resulta no comprimento total do tubo capilar.
Figura 16 – Representação do Tubo Capilar e Propriedades de Estado nos Pontos
Fonte: MOREIRA (2016)
As equações desta seção têm como referência Arora (2017). O primeiro passo a ser executado, durante a determinação do comprimento do tubo capilar, é determinar o título assumindo fluxo isentrópico:
onde x é o título, h é a entalpia, hg é a entalpia do gás saturado e hl é a entalpia do líquido saturado. Posteriormente é determinado o volume específico:
onde v1 é o volume específico do ponto 1, vl é o volume específico do líquido saturado e vg é o volume específico do gás saturado. Em seguida a velocidade pode ser calculada através da equação de continuidade:
onde u é a velocidade de escoamento, A é a área da seção transversal do tubo capilar e G é a velocidade mássica.
O próximo passo é determinar a queda de pressão ocasionada pela aceleração através da equação de momento:
resultando em:
onde ∆PA É a queda de pressão ocasionada pela aceleração resultante da vaporização do fluido. Em seguida deve-se calcular a queda de pressão causada pela fricção:
onde ∆PF É a queda de pressão ocasionada pela fricção. A queda de pressão ocasionada pela fricção também é expressa pela Equação 33:
onde D é o diâmetro do tubo capilar, f é o fator de fricção e ∆L É o comprimento do segmento do tubo capilar. Isolando ∆L é possível então determinar o comprimento do segmento do tubo capilar:
sendo que o valor do fator de fricção f está em função do número de Reynolds:
onde é a viscosidade do gás refrigerante.
Utilizando o software EES foi criada uma rotina de cálculos e levantada uma tabela paramétrica para calcular o comprimento do tubo capilar variando a temperatura entre 45ᵒC e 10ᵒC, com passo de 1ᵒC. Os valores de vazão mássica e da capacidade de refrigeração foram coletados do catálogo da Figura 12.
3.4 Dimensionamento da Massa de Gás Refrigerante
O compressor é o componente do sistema de refrigeração onde geralmente são encontrados a maioria dos defeitos. Muitas vezes os instaladores configuram o sistema com um superaquecimento acima do especificado, para certificar que não haverá aspiração de líquido pelo compressor. Para alcançar esse objetivo uma menor quantidade de fluido refrigerante é colocada no circuito. Se a quantidade for bem abaixo do recomendado, o superaquecimento pode ser excessivo e comprometer o tempo de vida útil do compressor (PORTO, 2010).
A quantidade de fluido refrigerante total do sistema engloba a massa contida na linha de alta pressão, condensador, evaporador e linha de baixa pressão, conforme a Equação 36:
onde mT é a massa total de gás refrigerante, mLAP é a massa de gás refrigerante na linha de alta pressão,mcond é a massa de de gás refrigerante na tubulação do condensador, mevap é a massa de gás refrigerante na tubulação do evaporador e mLBP é a massa de gás refrigerante na linha de baixa pressão.
Na Tabela 1 estão descritos os volumes de cada região do aparelho. Dividindo-se o volume pelo volume específico é possível encontrar a massa de fluido refrigerante de cada região. Porém, o volume específico varia em cada setor do sistema de refrigeração, existindo regiões monofásicas e bifásicas, tornando difícil estimar o volume específico de cada região sabendo apenas a temperatura. Por esse motivo, a massa de fluido refrigerante será obtida de forma empírica. A recarga de gás refrigerante foi realizada com auxílio de uma balança e, considerando que o sistema original tem uma massa de fluido refrigerante de 50 gramas, a recarga será feita até que o sistema se comporte da maneira projetada, variando a partir de uma carga inicial de 20 gramas.
Tabela 1 – Volumes das Linhas do Sistema de Refrigeração
Fonte: AUTOR (2021)
3.5 Instrumentos de Medição
O monitoramento da temperatura em diversos pontos do sistema foi feito através de termopares tipo “k” da marca Minipa, modelo MTK-01. A leitura ocorreu através de um termômetro também da marca Minipa, modelo MTK-450. O Termômetro e os termopares são exibidos na Figura 18. Para permitir a leitura de pontos onde não foram instalados termopares será utilizado o termômetro infravermelho da Figura 17.
Figura 17 – Termômetro Minipa MT-450A e Termopar MTK-01
Fonte: AUTOR (2021)
Figura 18 – Termômetro Infravermelho
Fonte: AUTOR (2021)
Com a finalidade de se obter uma maior precisão da quantidade de água produzida, foi utilizada uma balança digital logo abaixo do reservatório, fornecendo a massa de água condensada da atmosfera. A balança é da marca Belakaza, modelo SF-400 e pode ser observada na Figura 19.
Figura 19 – Balança Digital Modelo SF-400
Fonte: AUTOR (2021)
A análise da performance do sistema de refrigeração de água potável, a partir do ar atmosférico, também incluiu a medição do consumo de energia do aparelho. Para essa finalidade, foi utilizado o medidor de consumo de energia elétrica da marca SAFIRATEC (Figura 20). Esse medidor informa o consumo instantâneo e registra o consumo total durante toda a operação do sistema de refrigeração.
Figura 20 – Medidor de Consumo de Energia Elétrica
Fonte: AUTOR (2021)
O termo-higrômetro foi responsável pela medição da temperatura e da umidade relativa do fluxo de ar na serpentina de evaporação. A partir dos dados de umidade e de temperatura, a temperatura do ponto de orvalho pôde ser calculada. O termo-higrômetro utilizado é da marca Minipa, modelo MT-241(Figura 21).
Figura 21 – Termo-higrômetro Minipa MT-241
Fonte: AUTOR (2021)
3.6 Coleta dos Dados
A coleta dos parâmetros de funcionamento do sistema de refrigeração ocorreu ao longo do dia, em um intervalo de 30 minutos. Os termopares foram posicionados antes e depois do condensador e da serpentina do evaporador. A sonda do termo-higrômetro foi posicionada, alternadamente, antes e depois da serpentina do evaporador, assim permitindo coletar a temperatura e umidade do fluxo de ar.
4.Resultados e Discussões
4.1 Seleção do Comprimento do Tubo Capilar
Um trecho da tabela paramétrica, criada a partir da rotina de cálculos do EES, pode ser observado na Figura 22. Somando todos os valores resulta em um comprimento total de 0,22 metros do tubo capilar. Utilizando o software Dancap (Figura 23) foi encontrado o comprimento de 0,26 m, valor semelhante ao calculado no EES. Esses comprimentos serviram apenas como estimativa, pois foi observado na prática se o comprimento estava adequado para o sistema de acordo com o funcionamento do mesmo.
Figura 22 – Trecho da tabela paramétrica criada no EES
Fonte: AUTOR (2021)
O processo de determinação do comprimento do tubo capilar, na prática, foi basicamente empírico. Após atingir a temperatura desejada no evaporador, foi observado se havia excesso de gás na linha de retorno, evidenciado pela formação de névoa na tubulação. Se ocorrer essa situação, é necessário alterar o comprimento do tubo capilar. Após várias tentativas, o sistema de refrigeração se comportou de maneira próxima da projetada, ou seja, com temperatura do evaporador com média próxima de 10ᵒC. O comprimento final do tubo capilar foi de 47 centímetros, 25 centímetros a mais que o estimado no EES e 21 centímetros a mais que o estimado no software Danfoss.
Figura 23 – Dimensionamento do tubo capilar através do software Dancap
Fonte: AUTOR (2021)
4.2 Seleção da Massa de Gás Refrigerante
A determinação da massa de gás refrigerante ocorreu de forma empírica. O sistema original do bebedouro opera com gás R134a e a massa total é de 50g. O sistema adaptado tinha por objetivo funcionar com uma temperatura média no evaporador de cerca de 10ᵒC. Para realizar a recarga de gás foi contratado um técnico de refrigeração. Os equipamentos utilizados pelo técnico foram uma bomba de vácuo, uma garrafa de gás R134a, manômetros e mangueiras para as linhas de alta e baixa pressão, balança digital, maçarico e vareta de cobre.
O aparato montado para realizar a recarga de gás refrigerante está presente na Figura 24. As mangueiras com os manômetros foram conectadas nas linhas de alta e baixa pressão. A garrafa de gás R134a foi posicionada em cima da balança e uma mangueira foi conectada entre a garrafa e o manifold. Posteriormente foi criado vácuo no sistema com a bomba de vácuo. Depois de anotado o peso inicial da garrafa de R134a, foi colocado gás no sistema com um valor inicial de 20 gramas.
Após a carga inicial, o sistema de refrigeração foi ligado e, após ter estabilizado, foram efetuadas medições de temperatura através dos termopares conectados na entrada e na saída do evaporador. Se a temperatura não era satisfatória, era adicionado mais gás refrigerante no sistema e efetuadas novas medições.
Figura 24 – Montagem do Aparato para Recarga de Gás Refrigerante
Fonte: AUTOR (2021)
Mesmo depois de atingido valor próximo da temperatura de 10ᵒC foi necessário observar se havia formação de névoa na linha de retorno. Quando isso ocorria era necessário alterar o comprimento do tubo capilar. Para alterar o comprimento precisou-se cortar o tubo capilar, liberando assim o gás que foi colocado no sistema e soldar o tubo capilar novamente (Figura 25). Assim, todos os processos de criação de vácuo, recarga de gás e registro de temperatura foram efetuados várias vezes. Finalmente, o sistema comportou-se de forma satisfatória com uma recarga de gás com 32 gramas de massa, atingindo a temperatura média de 11,7 graus Celsius. A pressão registrada no evaporador foi de 85 KPa, e a pressão registrada no condensador foi de 710 KPa.
Figura 25 – Procedimento de Soldagem do Tubo Capilar
Fonte: AUTOR (2021)
4.3 Análise do Sistema de Refrigeração
A Figura 26 apresenta o sistema montado conforme projetado. Os dados coletados através dos instrumentos estão presentes no Apêndice A. A Tabela 2 mostra os valores médios das propriedades do fluxo de ar ao passar pela serpentina do evaporador. O “estado 1” refere-se às propriedades do ar antes de passar pela serpentina e o “estado 2” refere-se às propriedades do ar após a serpentina. Os dados foram coletados com o auxílio do termohigrômetro.
Figura 26 – Configuração do Equipamento
Fonte: AUTOR (2021)
Tabela 2 – Temperatura e Umidade do Fluxo de Ar na Serpentina
Fonte: AUTOR (2021)
A partir desses dados, e utilizando o diagrama psicrométrico do apêndice D, a entalpia e a umidade absoluta do ar puderam ser encontrados, conforme mostra a Tabela 3.
Tabela 3 – Umidade Absoluta e Entalpia do Fluxo de Ar na Serpentina
Fonte: AUTOR (2021)
A vazão volumétrica de ar do ventilador é de 0,0556 m3/s. Considerando o volume específico de 0,878 m3/kg, para o ar a 27,85ᵒC e 78,8% de umidade relativa, então a vazão mássica do fluxo de ar é de 0,063 kg/s. A taxa de produção teórica de água pôde então ser calculada utilizando a Equação 24:
A entalpia da água líquida saturada a 17,4ᵒC é de 73,03 kJ/kg. De posse desses dados, o fluxo de calor pôde ser calculado através da Equação 25:
7.4 Desempenho do Sistema de Refrigeração
A Tabela 4 mostra os valores médios coletados pelos termopares instalados na entrada e saída do condensador, e na entrada e saída da serpentina do evaporador. Foi evidenciado um sub resfriamento de 3,88ᵒC no condensador.
Tabela 4 – Propriedades em Diversos Pontos do Sistema de Refrigeração
Fonte: AUTOR (2021)
Através do balanço de energia, das propriedades do fluido refrigerante na entrada e saída do evaporador, e do fluxo de calor encontrado na seção anterior, a vazão mássica do gás R134a foi calculada:
O consumo de energia elétrico médio do compressor, registrado pelo equipamento de medição, foi de 0,099 kWh. O consumo médio do ventilador foi de 0,011 kWh. Portanto, dividindo-se o fluxo de calor pelo trabalho, o coeficiente de performance pode ser encontrado:
7.5 Custo de Produção de Água Potável através do Aparelho
O aparelho apresentou uma taxa de produção de água de cerca de 0,144 litros por hora. Considerando o consumo do compressor e do ventilador, o aparelho possui um consumo médio de energia elétrica de 0,11kWh. Portanto, o consumo de energia para produzir 1 litro de água equivale a 0,763kWh. A tarifa de energia no estado de Sergipe, para unidades consumidoras residenciais, é de R$ 0,48 por kWh, se o consumo da família for até 220 kWh. O custo para produção de água através desse aparelho equivale a R$ 0,36 por litro. A Tabela 5 sintetiza as principais características do projeto.
Tabela 5 – Características do Gerador de Água Potável a partir da Umidade do Ar Atmosférico
Fonte: AUTOR (2021)
5.Conclusão
No presente trabalho foi realizada a adaptação do sistema de refrigeração de um bebedouro de coluna para produzir água potável, utilizando o vapor d’água do ar atmosférico. Esse projeto visou obter uma fonte alternativa de água potável, visto que esse é um recurso primordial para a sobrevivência humana.
As principais alterações realizadas no sistema de refrigeração bebedouro de coluna foram a instalação de um ventilador, a alteração da carga de gás refrigerante e a alteração do comprimento do tubo capilar. Utilizando termopares foi realizado o monitoramento do funcionamento do sistema ao longo do dia.
O sistema se comportou de forma satisfatória, produzindo água potável sob uma taxa de 0,114 litros por hora, consumo de 0,763 kWh por litro e custo de R$ 0,36 por litro. O consumo foi similar ao obtido em SILVA (2009). O custo de produção de água pode concorrer com o valor comercial dos vasilhames de água mineral de 20 litros, resultando no valor de R$ 7,20.
Um aprimoramento sugerido no experimento é a coleta automatizada dos dados. Como os dados de temperatura e umidade eram coletados manualmente, isso demandava muito trabalho e resultava em um menor número de dados. A utilização de arduíno possibilitaria um número maior de dados, resultando em uma maior precisão.
A viabilidade da utilização de uma fonte renovável de energia também seria um importante estudo para o projeto. Como o sistema de refrigeração opera com 0,11 kWh, um painel fotovoltaico de 150 W poderia, em princípio, abastecer o sistema. Outras modificações no sistema poderiam ter sido experimentadas, como a alteração do ciclo de refrigeração para aumentar a eficiência. Finalmente, a análise da potabilidade da água também poderia ter sido feita, atestando assim a qualidade do produto condensado.
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APÊNDICE A – Parâmetros coletados do sistema de refrigeração
