Artigo Técnico
Sistemas de ar-condicionado a gás natural Autores: Guilherme Garcez Cabral, Cristiano Roberto Fuchs Rickmann e Claudio Marcello Pereira
O
gás natural é um combustível recente na matriz energética do Sul do país. Enquanto em algumas regiões do Brasil, como Rio de Janeiro e São Paulo, o combustível é utilizado há mais de um século, nos estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná, o gás natural começou a ser comercializado a partir da chegada do gasoduto Brasil-Bolívia, no final dos anos 90. As utilizações mais convencionais do gás natural são para substituição de combustíveis fósseis em caldeiras e aquecedores, ou de gasolina e etanol em veículos de passeio. Uma utilização ainda pouco difundida em algumas regiões é para substituição da energia elétrica em sistemas de climatização. No mundo essas tecnologias de climatização são fomentadas e utilizadas basicamente devido a duas vantagens do sistema a gás natural. A primeira é a desoneração do sistema elétrico. Com o sistema a gás natural ao invés de utilizar somente a energia elétrica, é utilizado como combustível principal o gás natural. Isso, além de gerar menor dependência do setor elétrico, traz reduções de custos de energia, devido a diminuição da demanda contratada, diminuição da carga elétrica instalada em transformadores e inexistência de tarifa de horário de ponta para o gás natural. A outra característica interessante é o fato de a climatização a gás natural poder ser utilizada para a produção de calor e frio, respondendo a necessidades de aquecimento, de refrigeração ou mistas. Em relação a tecnologias existentes, podemos dividi-las em duas linhas distintas: expansão indireta (água gelada) com sistemas de absorção (chillers de absorção) e os de expansão direta com sistemas de propulsão a gás natural para compressão (Gas Heat Pump Systems – GHP). O chiller de absorção possui um pro-
22
cesso de funcionamento muito distinto aos sistemas de refrigeração convencionais. O sistema de absorção funciona a partir de um processo termoquímico, que utiliza o calor da combustão do gás natural para promover a troca de fase do refrigerante. Como pode ser verificado a partir da fig. 01, o ciclo de absorção funciona a partir de quatro fases distintas. A primeira etapa é caracterizada pela troca de fase da água (líquido para vapor) resultante da entrada de água na câmara de vácuo. A pressão na câmara de vácuo é mantida muito próxima a pressão zero absoluto, que proporciona que a água que ingressa nessa etapa evapore a aproximadamente 5°C. A fim de garantir a permanência do vácuo nessa câmara, é aspergida a solução de brometo de lítio, a qual possui um alto grau absorvente, para absorver o vapor de água que está se formando na câmara de vácuo e formar uma solução saturada de água e brometo de lítio. Fig. 01 – Desenho esquemático do ciclo de refrigeração por absorção
Na fase 3, a solução de brometo de lítio é bombeada para a câmara de regeneração, a qual utiliza o gás natural a partir da sua combustão para aquecer essa solução. A partir desse aquecimento, a água é separada do brometo de lítio – BrLi. O BrLi retorna para a câmara de vácuo, enquanto o vapor de água passa para a fase 4, em que o vapor de água entra em contato com um trocador de calor refrigerado a água (condensador). Esse sistema de resfriamento é utilizado primeiramente para reduzir a temperatura do BrLi na entrada da câmera 2,
para posteriormente promover a liquefação da água na câmara 4. Por fim, o calor retirado dessas duas câmaras é expelido na torre de resfriamento (cooling tower). A água condensada nesta fase retorna para a fase 1, fechando o ciclo. Uma das grandes vantagens do sistema de absorção frente aos sistemas de compressão é a possibilidade de utilização de calor através do processo – ciclo inverso – ou seja, funciona também como um aquecedor de ambientes. Outra vantagem é a manutenção menor e equipamentos com maior vida útil. Quando o sistema de absorção é utilizado na função de aquecimento, ao invés do vapor de água sair da fase 3 para a fase 4, o vapor é conduzido diretamente para a fase 1, aquecendo o trocador de calor do evaporador. A princípio esse é o funcionamento esquemático de um ciclo de absorção de simples estágio, que possui a menor eficiência térmica entre os sistemas de absorção. A maior eficiência desses sistemas é conseguida através do melhor aproveitamento do calor da fonte de regeneração, aproveitando o calor do vapor de água decorrente da fase 3 para fazer a primeira fase da regeneração do BrLi, para posteriormente, como a solução já sofreu uma pré-separação, ser totalmente regenerada pela fonte quente de maior temperatura. Importante salientar que a Central de Água Gelada é praticamente a mesma tanto com chillers elétricos como com chillers absorção. Ou seja, é possível substituir os sistemas elétricos por sistemas a gás em caso de modernização das instalações – situações de retrofit de chiller. Modelos de equipamentos a gás baseados no tipo de fonte de calor: n Queima direta do gás natural; n Vapor (simples e duplo efeito); n Água Quente (simples e duplo efeito); n Gases Quentes de Exaustão de Motores ou Turbinas (simples e duplo efeito); n Queima direta + Água Quente; n Queima direta + Vapor;