MEDICAO EM CAMPO DO EER E CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO DE CHILLERS – Cálculo das Incertezas de Medição

MEDICAO EM CAMPO DO EER E CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO DE CHILLERS – Cálculo das Incertezas de Medição Anastácio da Silva Junior1*, Marcos Antônio Garcia2 1: Area de Refrigeraçao e Climatizaçao, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina IFSC Campus São José - SC - [email protected] 2: Area de Refrigeraçao e Climatizaçao, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina IFSC - Campus São José - SC - [email protected] 1. INTRODUÇÃO O presente artigo trata da analise dos erros e incertezas de medição proveniente do calculo da capacidade de refrigeração de um Chiller, através de valores medidos e obtidos em campo. O trabalho foi desenvolvido como parte das atividades referentes a Disciplina de Identificação de Parâmetros, ministrada pelo de Prof. Luís Mauro Moura, da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, no curso de Doutorado em Engenharia Mecânica 2. DESCRIÇÃO DE UM SISTEMA DE AGUA GELADA O sistema de água gelada típico em uma instalação industrial é composto por chillers, bombas de água primária (BAGP) que enviam a água proveniente da fábrica estudada para os chillers que, após ser resfriada, segue para seus consumidores por meio de bombas do sistema secundário (BAGS). A água, após remover calor nos processos, retorna e é encaminhada aos chillers pelo sistema primário, caracterizando assim um circuito fechado. Para troca de calor com o meio externo é utilizado o sistema de água de condensação, composto por bombas e torres de arrefecimento. O fluxograma simplificado de um sistema de agua gelada é apresentado na Figura 1.

Figura 1- Fluxograma do sistema de água gelada O chiller analisado é do fabricante Trane, modelo CVHF1280 com Compressor Centrífugo e Capacidade de refrigeração Nominal de 1.280,0 TR. O calculo da capacidade de refrigeração (q) em W é apresentada na Equação 1, onde Q é a vazão de água gelada em m3/h, ΔT é a diferença entre as temperaturas de entrada e saída da água gelada em °C e c e ρ são, respectivamente, o calor específico da água – 4,195 kJ/kg.K - e a sua densidade – 999,7026 kg/m³. (1) Para o calculo do índice de eficiência energética, adimensional, utiliza-se a equação 2, onde pot é a potência elétrica (W) consumida pelo chiller.

EER 

q Pot

(2)

3. MEDIÇÕES Para a determinação da capacidade de refrigeração do chiller (q) através da Equação 1, são necessárias as medições dos valores de vazão de água gelada, as temperaturas de entrada e saída da água gelada e condensação para obter a diferença de temperatura de água gelada (ΔT). 3.1 Medições de vazão As vazões da água gelada e de resfriamento foram obtidas utilizando-se um medidor de vazão do tipo ultrassônico por tempo de trânsito, fabricante Yokogawa, modelo US300PM, as medições foram realizadas nas tubulações de saída do Chiller. A Figura 2 mostra uma fotografia com os pontos onde os sensores foram instalados nas tubulações de água gelada. As vazões de água gelada e de condensação registradas em gráficos ao longo do tempo são mostradas na Figura 3, estando suas médias apresentadas na Tabela 1.

Figura 2 – Pontos de medições de vazão de água gelada.

Figura 3 – Vazões de água gelada e de condensação

3.2 Medições de temperatura da Água Gelada e de Resfriamento As medições de temperatura das águas foram realizadas com o auxílio do sistema de aquisição de dados portáteis e sondas tipo Pt-100, fabricante Texto, modelo 176T2. Os sensores foram instalados em poços termométricos existentes na entrada e na saída das tubulações dos evaporadores e condensadores dos chillers, conforme apresentado na Figura 4 e na Figura 5. Os valores das medições de temperatura são apresentados na Figura 6, estando suas médias apresentadas na Tabela 1.

Figura 4 - Local de medição de Temp. da água gelada

Figura 5 - Local de medição de temp. da água de resfriamento

Figura 6 - Temperatura de entrada e saída da água gelada e de condensação 3.3 Medições Potência elétrica Para a medição das grandezas elétricas de acionamento foram utilizados analisadores de energia portáteis, fabricante Yokogawa, modelo CW240, instalados no painel de controle do motor do Chiller. Os valores registrados em gráficos ao longo do tempo estão apresentados na Figura 7, sendo o valor médio da potencia igual a 746,4 kW.

Figura 7 – Potencia elétrica do chiller 3.4 Calculo da capacidade de refrigeração dos chillers Com base nos dados de vazão de água gelada medida, apresentada no item 6.2.1, e utilizando a diferença de temperatura de água gelada (ΔT) é possível determinar a capacidade de refrigeração do chiller (q) através da Equação 1 e o EER pela Equação 2. As médias de cada parâmetro utilizado nos cálculos de capacidade de refrigeração do chiller de do EER, estão apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 – Resumo das medições realizadas e resultados de cálculos Variável Vazão de água gelada [m³/h] Temperatura de entrada da água gelada [ºC] Temperatura de saída da água gelada [ºC] Diferença de temperatura [K] Potência elétrica [kW] Capacidade de refrigeração [kW] (1150 TR) Índice de eficiência Energética - EER [W / W]

Valor

IM aparelho

518,4 13,65 6,94 6,71 746,4 4044,4 5,43

± 3,0 % ± 0,2 oC ± 0,2 oC ± 1,0 %

4. ANÁLIZE DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO O método proposto para estimar a incerteza de resultados experimentais é o apresentado por Kline e McClintock (Holman, 1995). O método é baseado em uma cuidadosa especificação das incertezas nas várias medições experimentais, onde a incerteza do resultado é expressa em função das incertezas das variáveis independentes, conforme a equação (2). 2 2  R  2  R  R          I R   I1    I 2   .....   In    X 1   X 2   X n  

(2)

onde : IR = Incerteza do resultado; R = Resultado; In = Incerteza do resultado associada à medição de cada variável independente; Xn = Variáveis independentes. Para se calcular a incerteza do resultado de medição do EER, tem-se as seguintes variáveis independentes:

Q - Vazão de água gelada [m³/h] Teag - Temperatura de entrada da água gelada [ºC] Tsag -Temperatura de saída da água gelada [ºC] Pot - Potência elétrica [kW] Calcula-se o EER, definido pela equação (2), substituindo-se esta na equação (1) a partir dos valores da capacidade de refrigeração e da potência elétrica consumida pelo chiller, equação (3). (3) onde Q, Teag, Tsagr e pot são obtidos através de medição em campo, c e p são propriedades da agua e constantes. Para tanto utiliza-se a equação (1) e se substituídos na equação (2) até que esta seja totalmente expressa em função das variáveis independentes, para que se possa obter as derivadas parciais de q. Com base na equação (2), a incerteza do resultado de medição de q será dada pela equação (4):

IREER

2 2 2 2  EER   EER   EER   EER     IRTeag    IRTsag    IRQ    IR pot   Teag   Tsag   Q   pot   

(4) 4.1 Cálculo da incerteza do resultado de EER : A seguir a análise de erros para um conjunto de 2350 medições realizadas em campo, para o chiller estudado, com capacidade nominal de 1.280 TR. Os resultados das medições bem como as incertezas estão colocados na tabela 2. As incertezas do resultado de medição associadas a cada variável são apresentadas na Tabela 2.

Tabela 2 – Medições e Incertezas do resultado para o chiller estudado. Teag [C] 13,65

Tsag [C] 6,94

Q [m3/h] 518,4

Pot [W] 746,4

IRTeag [C] ± 0,2

IRTsag [C] ± 0,2

IRQ [m3/s] ± 3,0 %

IRpot [W] ± 1,0 %

Substituindo-se estes valores na equação 3, a eficiência energética calculada para o aparelho, será portanto: = 5,43 [W / W] Efetuando-se os cálculos para a obtenção das derivadas parciais do EER em função de cada variável independente, têm-se os seguintes valores, apresentados na tabela 3: Tabela 3 – Derivadas parciais do EER

EER Teag

EER Tsag

EER TQi

EER pot

0,809084

0,809084

0,010473

0,007274

Multiplicando-se os valores das derivadas parciais da tabela 3, pela respectiva incerteza na tabela 2 obtém-se a componente da incerteza associada a cada uma destas variáveis, conforme a tabela 4. Tabela 4 – Incerteza do resultado de medição devida a cada variável.

EER IRTeag Teag 0,162

EER EER IRTsag IRQ Tsag Q 0,162

EER IRPot Pot

0,163

0,054

Substituindo-se os valores da tabela 4 na equação (4), o valor da incerteza do resultado de medição será dado por:

IREER 

0,1622  0,1622  0,1632  0,0542

IREER =  0.286 W / W ou 5,3 %. RMEER = 5,4  0,3 Como se pode perceber as variáveis de maior contribuição para a incerteza do resultado são a vazão de agua e a temperaturas de entrada e saída da agua gelada, deve-se, portanto, apurar o método de medição e tomar todos os cuidados possíveis, visando diminuir a incerteza na medição destas grandezas.