BR102019006134A2

BR102019006134A2 - Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção

Info

Publication number: BR102019006134A2
Application number: BR102019006134-0A
Authority: BR
Inventors: Edson Bazzo; Marcos Vinício Oro; Rogério Gomes De Oliveira
Original assignee: Universidade Federal De Santa Catarina
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-13
Also published as: BR102019006134B1

Abstract

sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção onde o sistema integrado é formado por um sistema de células a combustível, um reservatório térmico bifásico e um refrigerador de adsorção, os quais estão conectados termicamente por dois fluidos de transferência de calor que circulam em circuito fechado, sendo que com o uso do dito reservatório se consegue garantir os níveis de temperatura de operação das células a combustível, minimizar as variações de temperatura do fluido que arrefece as células a combustível e garantir níveis de temperatura suficientes para colocar em operação o refrigerador.

Description

SISTEMA COM ARMAZENAMENTO DE REJEITO TÉRMICO PROVENIENTE DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL INTEGRADAS A REFRIGERADORES DE ADSORÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a uma forma de recuperação de calor rejeitado em um processo estacionário (ou quase estacionário) por um processo em batelada ou transiente, cujo processo estacionário trata-se de células a combustível e o processo transiente de um sistema de refrigeração por adsorção.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Células a combustível têm sido amplamente estudadas em diversas aplicações e têm emergido como alternativa promissora na indústria automobilística, geração de potência distribuída e outras aplicações industriais. As células a combustível produzem energia elétrica a partir da reação eletroquímica entre hidrogênio e oxigênio, entregando água e calor como subprodutos. Existem diversos tipos de célula a combustível, sendo que para cada tipo existe um intervalo de temperatura de operação que deve ser respeitado para garantir seu bom funcionamento. Variações na temperatura de operação têm impacto direto no desempenho das ditas células, portanto um sistema de arrefecimento adequado é de fundamental importância. Outra característica é a elevada eficiência que as ditas células alcançam, em torno de 50 %, onde a energia que não é convertida em eletricidade é convertida em calor. Dita característica aponta para oportunidades de recuperação do calor residual em um sistema integrado, elevando assim a utilização da energia do combustível.

[003] Climatizadores e refrigeradores por sorção (absorção ou adsorção) são equipamentos que produzem frio a partir de rejeito térmico de outras fontes de calor com temperaturas, geralmente, maiores que 60 °C. Portanto, representam uma forma de utilizar o calor residual das células a combustível. Uma das principais diferenças entre os sistemas por absorção e por adsorção é que os primeiros operam em uma forma contínua, enquanto o último opera através de ciclos semi-intermitentes onde cada leito adsorvente é sucessivamente aquecido e resfriado. Além disso, em geral os sistemas por adsorção conseguem operar com rejeitos térmicos a temperaturas mais baixas do que os sistemas por absorção.

[004] No documento de patente número US2010/0196775 foi proposto um sistema de reaproveitamento do calor residual de uma célula a combustível. Dito sistema é composto pela célula a combustível, um aparato de refrigeração por adsorção, um tanque de resfriamento e conjuntos de válvulas. Basicamente, o líquido contido no tanque de resfriamento é utilizado para resfriar a célula a combustível e também para remover o calor do aparato de refrigeração por adsorção. O calor cedido pela dita célula ao fluido do tanque de resfriamento é utilizado para alimentar o dito aparato de refrigeração, o qual, com o auxílio de um circuito secundário, resfria o fluido contido no dito tanque. No dito documento de patente não foi comentado a respeito das variações de temperatura impostas pelo dito aparato de refrigeração por adsorção no dito fluido de resfriamento e como tais variações podem influenciar na operação da dita célula e do sistema como um todo.

[005] No documento de patente US2012/0122002 é proposto o uso de trocadores de calor acoplados no fluido de arrefecimento de uma célula a combustível, assim como nos gases que deixam o ânodo e o cátodo, onde que ditos trocadores de calor estão acoplados a um sistema de refrigeração por absorção. No documento de patente US2012/0304673 é proposto um sistema de gerenciamento de energia integrado, onde o calor proveniente de células a combustível é utilizado para alimentar um sistema de refrigeração de absorção. Em ambos os documentos de patente não consta o uso de um acumulador térmico para conectar a célula a combustível ao sistema de refrigeração, e dessa forma qualquer oscilação que ocorrer na célula a combustível ou no sistema de refrigeração causará um impacto indesejável na operação do outro.

[006] Na pesquisa apresentada por Oh et al., intitulada ‘‘Fuel cell waste heat powered adsorption cooling system” e publicada no ‘‘International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration” em 2013, é apresentado um estudo onde o calor residual de células a combustível é utilizado para alimentar um sistema de refrigeração por adsorção. No dito estudo o calor do fluido de arrefecimento da célula é entregue para a água de recuperação de calor com o uso de um trocador de calor. Dita água de recuperação de calor é armazenada em um tanque e, em seguida, aquece os reatores do sistema refrigeração por adsorção. Após deixar os reatores a água, ainda com certo nível de aquecimento pode ser destinada aos consumidores finais e/ou retornar para o ciclo de recuperação de calor. A água que retorna para o dito ciclo passa por uma câmara de mistura para controle de temperatura, onde é misturada com água a temperatura ambiente e, em seguida entra no trocador de calor da célula, fechando o ciclo de recuperação de calor. Levando-se em conta que se trata de um sistema de refrigeração por adsorção, o consumo de calor que os reatores impõem ao sistema oscila em ciclos e, dessa forma, a temperatura da água na saída dos reatores pode variar bastante. Assim, para garantir que a temperatura da água na saída da câmara de mistura seja aproximadamente constante (esse critério é necessário para garantir que a célula a combustível esteja rejeitando calor para um sumidouro com temperatura constante, e assim, não causar impacto no funcionamento da célula a combustível) sempre será necessário certo consumo de água a temperatura ambiente. Além disso, como se trata de um acumulador térmico monofásico, tanques com dimensões elevados são necessários.

[007] Portanto, ainda é um desafio tecnológico alimentar um sistema de refrigeração por sorção a partir do calor residual de um sistema de célula a combustível, de forma que oscilações no funcionamento de qualquer um dos sistemas tenha o mínimo impacto no funcionamento do outro. Esse desafio é ainda maior no caso do sistema de refrigeração por adsorção, uma vez que a característica transiente de transferência de calor para o leito adsorvente faz com que o calor consumido pelo sistema de refrigeração por adsorção varie com o tempo.

RESUMO DA INVENÇÃO

[008] A presente invenção contempla um sistema integrado capaz de fornecer energia elétrica e potência frigorífica, em que uma pilha de células a combustível rejeita calor para um reservatório térmico bifásico, e esse, por sua vez, gerencia o suprimento de calor a um refrigerador de adsorção. A transferência de calor entre os três componentes é realizada por fluidos circulando em circuitos fechados, sendo o primeiro responsável por conectar termicamente a dita pilha com o dito reservatório, e o segundo responsável por conectar termicamente o dito reservatório com o dito refrigerador.

[009] Com o uso do dito reservatório se consegue garantir os níveis de temperatura de operação das células, minimizar as variações de temperatura do fluido que arrefece a dita pilha de células a combustível e garantir níveis de temperatura suficientes para colocar em operação o dito refrigerador.

[0010] No interior do dito reservatório térmico bifásico existe uma mistura de líquido e vapor, ou seja, o fluido se encontra na região de saturação, de forma que o fluido evapora ao receber calor das células e condensa ao ceder calor para o refrigerador. Devido à condição de saturação, consegue-se transferir elevadas quantidades de calor com pequenas variações de temperatura. Em comparação com reservatórios térmicos monofásicos, o reservatório térmico bifásico apresenta tamanho reduzido, pois a transferência de calor ocorre pela mudança de fase do fluido de trabalho, o que confere elevados coeficientes de transferência de calor.

[0011] Inércia térmica entre o dito refrigerador e a dita pilha é desejada, de forma que o dito refrigerador consegue se manter em operação mesmo que haja oscilação, redução ou interrupção do calor entregue pela dita pilha. O mesmo ocorre no sentido inverso, ou seja, quando ocorrer oscilação ou interrupção do consumo de calor do dito refrigerador, o dito reservatório consegue acumular energia por determinado período antes que a temperatura de operação da dita pilha alcance seu limite. Dita inércia térmica é controlada pela administração da quantidade de fluido contido no dito reservatório térmico. Desta forma, consegue-se manter as células a combustível operando dentro de um intervalo de temperatura adequado para seu bom funcionamento, mantendo os níveis de eficiência de projeto. Além disso, ao fazer uso de parte do calor residual para a produção de frio, consegue-se elevar a utilização da energia do combustível, ou seja, eleva-se a eficiência global do sistema.

[0012] Também está prevista uma ramificação no circuito de transferência de calor que conecta a pilha de células a combustível ao reservatório térmico bifásico. Na dita ramificação está prevista a montagem de um trocador de calor e também de um segundo reservatório térmico. Um conjunto de válvulas é utilizado para administrar as frações mássicas do fluido de transferência de calor que arrefece a célula, de forma a direcionar parte da vazão para o dito refrigerador, parte para o dito trocador de calor e parte para o dito segundo reservatório, e assim, apresenta-se um sistema integrado capaz de entregar energia elétrica, potência frigorífica, ar aquecido e água aquecida.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0013] Para um melhor entendimento do presente invento, são mostrados desenhos representativos, de tal modo que o equipamento possa ser integralmente reproduzido por técnicas adequadas, permitindo a plena caracterização de sua funcionalidade. São desenhos meramente ilustrativos, podendo apresentar variações, não se desviando do princípio funcional ora proposto:

[0014] A FIGURA 1 ilustra uma vista esquemática do sistema integrado proposto;

[0015] A FIGURA 2 ilustra um único reservatório térmico montado entre os fluidos de transferência de calor;

[0016] A FIGURA 3 ilustra diversos reservatórios térmicos montados entre os fluidos de transferência de calor;

[0017] A FIGURA 4 ilustra uma vista esquemática de uma primeira variação do sistema integrado proposto;

[0018] A FIGURA 5 ilustra uma vista esquemática de uma segunda variação do sistema integrado proposto.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0019] Em conformidade com a Figura 1, o presente invento consiste em um sistema integrado (100), composto basicamente por um sistema de células a combustível (1), um reservatório térmico bifásico (2) e um refrigerador de adsorção (3). Potência elétrica é gerada pelo dito sistema de células (1). O calor residual do dito sistema (1) é entregue ao dito reservatório (2) por meio de um fluido de transferência de calor que circula em um circuito fechado (4). Dito reservatório (2) gerencia o fornecimento de calor para o dito refrigerador (3) por meio de um segundo fluido de transferência de calor que circula em um circuito fechado (5).

[0020] A transferência de calor entre o dito circuito (4) e o dito sistema (1) pode ser realizada, por exemplo, com o fluido circulando por canais existentes nas placas bipolares das células a combustível existentes no dito sistema (1). No lado do dito refrigerador (3), quando utilizado um sistema por adsorção, o fluido aquecido existente no dito circuito (5) é direcionado para os reatores do refrigerador. Ditos reatores são basicamente trocadores de calor em que em um dos lados existe material adsorvente, tais como sílica gel, zeolita, carvão ativado, cloretos metálicos, brometos metálicos, mistura desses materiais entre si, ou misturas desses materiais com outros materiais e circula o fluido refrigerante (adsorvato) como, por exemplo, amônia, água ou etanol, e no outro lado circula fluido de transferência de calor, alternando etapas de aquecimento e resfriamento. No caso de utilizar sistemas por absorção, o fluido aquecido do dito circuito (5) é direcionado para o gerador. Dito gerador é basicamente um evaporador, em que o fluido aquecido circula no interior dos tubos e externamente vapor é gerado.

[0021] Em conformidade com a Figura 2, o dito reservatório (2) é composto basicamente por um invólucro (21) contendo certa quantidade de fluido (22) no seu interior. Dito fluido (22) é mantido na região de saturação, ou seja, parte líquida (23) e parte vapor (24), e é responsável por transferir o calor entre os fluidos de transferência de calor (4) e (5), principalmente por meio dos processos de evaporação (região inferior) e condensação (região superior). Para o correto funcionamento do dito reservatório (2), faz-se necessário que a região inferior contenha quantidade de líquido suficiente para receber calor do dito fluido (4). Desta forma o dito reservatório (2) pode operar com algum nível de inclinação, mas preferencialmente deve estar posicionado verticalmente, ou seja, recebendo calor na região inferior e cedendo calor na região superior.

[0022] Ainda, em conformidade com a Figura 2, o dito circuito (4) pode ser montado ao dito reservatório (2) de forma que o fluido quente circule externamente à região inferior do invólucro (21), transferindo calor ao dito fluido. De forma similar, o dito circuito (5) pode ser montado na região superior do invólucro (21), transportando o calor do dito fluido para o dito refrigerador (3). As superfícies do dito invólucro (21) podem ser aletadas para melhorar a transferência de calor com os fluidos que circulam nos ditos circuitos (4) e (5).

[0023] Em conformidade com a Figura 3, a transferência de calor entre o circuito (4) e o circuito (5) pode ser realizada utilizando uma pluralidade de reservatórios térmicos (2).

[0024] Em conformidade com a Figura 4, também está previsto o uso de um trocador de calor (6) montado em paralelo com o circuito de transferência de calor (4). Uma das funções do dito trocador de calor (6) é dissipar parte ou o total do calor entregue pelo dito sistema de células a combustível (1), de modo que será responsável pelo completo arrefecimento do dito sistema (1) quando o dito refrigerador (3) estiver inoperante. Outra função do dito trocador de calor (6) é o aquecimento de ambientes, uma vez que rejeita calor para o ar externo. A partir da administração de uma parte do fluido do dito circuito (4) para o dito trocador de calor e a outra parte para o dito refrigerador (3), apresenta-se um sistema integrado (200) capaz de fornecer energia elétrica, potência frigorífica e ar quente.

[0025] Em conformidade com a Figura 5, está previsto ainda o uso de um segundo reservatório térmico (7) montado em paralelo com o circuito de transferência de calor (4) de forma que o dito circuito (4) transfira calor para o fluido contido no dito reservatório (7), por exemplo, com o uso de uma serpentina. Dito segundo reservatório (7) serve para acumular fluido aquecido. Na medida em que fluido aquecido é consumido a partir da tubulação (8), igual quantidade do fluido com temperatura inferior é reabastecida a partir da tubulação (9). A partir da administração do fluido do dito circuito (4) com o auxílio de um conjunto de válvulas, é possível colocar em operação um, dois ou os três equipamentos, dito refrigerador (3), dito trocador de calor (6) e dito segundo reservatório (7), apresentando-se um sistema integrado (300) capaz de fornecer potência elétrica, potência frigorífica, ar quente e água quente.

Claims

Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção, caracterizado por compreender um sistema de células a combustível, um reservatório térmico bifásico e um sistema de refrigeração por adsorção, estando o dito sistema de células a combustível conectado termicamente ao dito reservatório térmico bifásico, o qual está conectado termicamente ao dito sistema de refrigeração.
Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a transferência de calor entre o dito sistema de células a combustível e o dito reservatório térmico bifásico, assim como a transferência de calor entre o dito reservatório térmico bifásico e o dito sistema de refrigeração serem ambas realizadas pela circulação de fluidos em circuitos fechados.
Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito reservatório térmico bifásico compreender um invólucro fechado contendo no seu interior uma mistura de líquido e vapor.
Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender adicionalmente um trocador de calor montado em paralelo com o circuito de transferência de calor que conecta o dito sistema de células a combustível ao dito reservatório térmico bifásico.
Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender adicionalmente um segundo reservatório térmico montado em paralelo com o circuito de transferência de calor que conecta o dito sistema de células a combustível ao dito reservatório térmico bifásico.
Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a administração da quantidade de fluido que circula no dito trocador de calor compreender a utilização de uma válvula.
Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a administração da quantidade de fluido que circula no dito segundo reservatório compreender a utilização de uma válvula.
Sistema com armazenamento de rejeito térmico proveniente de células a combustível integradas a refrigeradores de adsorção, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender adicionalmente um trocador de calor e um segundo reservatório térmico, os quais estão montados em paralelo com o circuito de transferência de calor que conecta o dito sistema de células a combustível ao dito reservatório térmico bifásico.
Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a administração das quantidades de fluido que circula em cada ramo do circuito compreender um conjunto de válvulas.