61ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 6. Física dos Fluidos, Física de Plasmas e Descargas Elétricas

ESTUDO DO PROCESSO DE LIQUEFAÇÃO DO HIDROGÊNIO PARTE I: ENSAIO TERMOMÉTRICO COM VÁLVULAS J-T

Débora Salomon Marques 1 Ennio Peres da Silva 1

1. Laboratório de Hidrogênio, Departamento de Física Aplicada, IFGW, UNICAMP

INTRODUÇÃO:

Esse trabalho integra os estudos do Laboratório de Hidrogênio da UNICAMP sobre os métodos de armazenamento do hidrogênio, constituindo-se no primeiro ensaio para a liquefação desse gás. Esse líquido criogênico (-252,9 ºC) tem inúmeras aplicações, desde o uso energético no setor aeroespacial como em pesquisas acadêmicas. Nesse trabalho, foi estudado o efeito Joule-Thomson, fenômeno termodinâmico que consiste no resfriamento ou aquecimento de um gás durante uma expansão isentálpica. Ocorre resfriamento para os gases que se encontram em uma temperatura abaixo de sua temperatura de inversão, que varia com a pressão. Acima dela ocorre o aquecimento, como é o caso do H2 à temperatura ambiente e pressão atmosférica. Esse processo é utilizado na maioria dos liquefatores de gases. O trabalho consistiu em dimensionar e construir um sistema de expansão e obter dados de temperatura, pressão e vazão para três gases: N2, CH4 e H2, tendo como objetivo entender a correlação entre esses parâmetros para a posterior construção de um sistema de liquefação de hidrogênio.

METODOLOGIA:

A partir de estudos teóricos de termodinâmica, criogenia e segurança do hidrogênio foram projetados e construídos os arranjos experimentais que em sua versão final consistiu em uma válvula reguladora de pressão, uma válvula agulha, um manômetro, um trocador de calor tipo casca e tubo, a válvula J-T (disco de aço inox com um furo para expansão do gás), um rotâmetro e termopares do tipo T em 4 pontos diferentes do sistema (e mais um do tipo K no rotâmetro), conectados a uma placa de aquisição de dados em um computador. Os arranjos foram testados com ar comprimido, o que permitiu vários aperfeiçoamentos. Esse sistema é conhecido como sistema de Hampson. O experimento consistiu em estabelecer uma diferença de pressão na válvula J-T e observar a diferença de temperatura, bem como o tempo para o sistema entrar em equilíbrio. À montante da válvula era estabelecida uma pressão a partir do próprio cilindro de gás, e à jusante o sistema estava aberto à atmosfera. Para o H2 foi necessário resfriar o gás com N2 líquido, pois à temperatura ambiente esse gás está acima da temperatura de inversão (sistema de Hampson resfriado). Os dados foram obtidos pelo software LabVIEW e tratados no software Origin.

RESULTADOS:

Foram confeccionados 11 discos com um furo, que variava de 0,3 a 1,3 mm de diâmetro, para verificar qual a influência desse parâmetro, e logo nos primeiros testes observou-se que o tamanho do furo influenciava diretamente na vazão; portanto optou-se por utilizar o menor, para preservar o volume de gás nos cilindros, mantendo maiores pressões por mais tempo. Em cada experimento regulava-se o fluxo para três valores distintos de vazão, e observou-se que quanto maior a vazão, maior a queda de temperatura para o N2 e o CH4, o que implica que cada vazão corresponde a uma pressão (pois quanto maior a pressão, maior é a queda de temperatura). Para o H2 ocorreu o aquecimento na expansão até o momento em que o gás atingiu a temperatura de inversão e iniciou o resfriamento. Observou-se que em geral o comportamento da temperatura ao longo do tempo era um decaimento exponencial. Como se trata de um fenômeno real, que não é quase-estático, há um intervalo de tempo até que o sistema entre em equilíbrio, e nem sempre é possível atingir o equilíbrio devido à limitação de gás no cilindro. Nesse caso foi possível extrapolar a função a partir das tendências observadas experimentalmente. É possível prever a queda da temperatura a partir do coeficiente de Joule-Thomson, dado por: μ = (ΔT/ΔP)H.

CONCLUSÃO:

No efeito Joule-Thomson, a influência do diâmetro do furo é sobre a vazão do gás, e essa corresponde a uma diferença de pressão. Quanto menor o furo, menor a vazão e maior a pressão fornecida ao sistema. Os gases constituídos das menores moléculas possuem uma vazão menor sobre um mesmo furo, e um maior consumo do gás. O efeito é maior quanto maior a diferença de pressão. Para calcular o coeficiente de Joule-Thomson é necessário esperar até que o sistema entre em equilíbrio térmico, ou extrapolar os valores obtidos experimentalmente para obter o valor efetivo de variação de temperatura. Quanto maior a massa do sistema, maior a inércia térmica que aumenta o tempo que a temperatura leva para entrar em equilíbrio. As trocas térmicas são maiores quanto menor for a vazão. Para atingir a temperatura de liquefação dos gases é necessário: reduzir o tempo de obtenção da temperatura de equilíbrio, aumentando a eficiência das trocas térmicas, o que pode ser obtido reduzindo a vazão (diminuindo ainda mais o furo ou usando um filtro poroso), reduzindo a massa do sistema e aprimorando o trocador de calor; aumentar a pressão do gás, sendo que para isso é necessário garantir um suprimento para o tempo necessário até a obtenção da temperatura de equilíbrio utilizando vários cilindros simultaneamente.

Instituição de Fomento: Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP

Palavras-chave: Hidrogênio Líquido , Efeito Joule-Thomson , Criogenia.