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Refrigera¸ ao e Ar Condicionado Ciclo de Refrigera¸ ao Por Absor¸ ao Filipe Fernandes de Paula [email protected] Departamento de Engenharia de Produ¸c˜ ao e Mecˆ anica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecˆ anica 1/37

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Refrigeracao e Ar CondicionadoCiclo de Refrigeracao Por Absorcao

Filipe Fernandes de [email protected]

Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia

Universidade Federal de Juiz de Fora

Engenharia Mecanica

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Introducao

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Introducao

I O funcionamento da refrigeracao por absorcao se baseia no fato deque os vapores de alguns fluidos refrigerantes sao absorvidos a frio,em grandes quantidades, por certos lıquidos ou solucoes salinas;

I Se esta solucao binaria concentrada e aquecida, verifica-se umadestilacao fracionada na qual o vapor formado sera rico no fluidomais volatil (fluido refrigerante), podendo ser separado, condensadoe aproveitado para a producao de frio;

I O ciclo de absorcao e similar ao ciclo de compressao de vapor emcertos aspectos, como a utilizacao de um condensador, uma valvulade expansao e um evaporador;

I Os fluidos mais usados no ciclo de absorcao sao o brometo de lıtio(LiBr) e a amonia (NH3) em conjunto com a agua.

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Introducao

I A diferenca entre os ciclos esta no modo em que o refrigerante temsua pressao elevada;

I No ciclo por absorcao, a pressao e elevada da seguinte forma:I O vapor de refrigerante e absorvido por um lıquido. Esse processo

libera calor;I O lıquido tem sua pressao elevada por uma bomba;I Atraves de aplicacao de calor, o refrigerante e retirado do lıquido.

I O ciclo a absorcao e dito um ciclo operado por calor porque a maiorparte do custo de operacao e associada com o fornecimento de calorque libera o vapor do lıquido de alta pressao;

I A bomba consome uma pequena quantidade de trabalho.

I Se o calor pode ser obtido a baixo custo, o sistema de absorcaopode ser atrativo economicamente.

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Introducao

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Ciclo de Absorcao

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Ciclo de Absorcao

I O vapor de baixa pressao que sai do evaporador e absorvido poruma solucao lıquido no absorvedor;

I O processo de absorcao libera calor, por isso o absorvedor precisa serresfriado a agua ou a ar.

I A bomba recebe o lıquido de baixa pressao do absorvedor, eleva asua pressao, e o entrega ao gerador;

I No gerador, calor de uma fonte de alta temperatura expulsa o vaporque tinha sido absorvido pela solucao.

I A solucao lıquida retorna para o absorvedor pela valvula redutora depressao cujo proposito e promover a queda de pressao para manter asdiferencas de pressao entre o gerador e o absorvedor.

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Ciclo de Absorcao

I Os fluxos de calor de e para os quatro trocadores de calor quecompoem o ciclo de asorcao ocorrem da seguinte forma:

I O calor de uma fonte de alta temperatura entra no gerador,enquanto que calor a baixa temperatura da substancia que esta sendorefrigerada entra no evaporador;

I A rejeicao de calor do ciclo ocorre no absorvedor e condensador atemperaturas tais que o calor possa ser rejeitado para a atmosfera.

I Um trocador de calor pode ser acrescentado ao ciclo basico, paratransferir calor entre as duas correntes de solucoes.

I O trocador de calor aquece a solucao fria do absorvedor em seucaminho para o gerador e esfria a solucao que retorna do geradorpara o absorvedor.

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Analise Termodinamica do Ciclo por Absorcao

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COP do Ciclo de Absorcao

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Coeficiente de Desempenho do Ciclo de Absorcao

I O COP do ciclo de absorcao e definido como:

COPabs =Capacidade de Refrigeracao

Taxa de Adicao de Calor no Gerador=

Qo

Qg

(1)

I Em geral o COPabs do ciclo de absorcao e muito menor que o COPdo ciclo de compressao de vapor;

I Essa nao e uma desvantagem para ciclos de absorcao, pois a energiana forma de trabalho e muito mais valiosa e cara do que energia naforma de calor.

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Composicao da Mistura

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Composicao da Mistura

I O fluido utilizado e usualmente uma mistura binaria, isto e, misturacom dois componentes: refrigerante ou soluto e o absorvente ousolvente;

I O estado termodinamico de uma mistura nao pode ser determinadosomente atraves da pressao e temperatura, como no caso desubstancias puras;

I Existe a necessidade de se conhecer uma outra propriedade, a qualdenomina-se concentracao.

X =Massa da Substancia que nao e a agua

Massa de Refrigerante + Massa de Absorvente(2)

I As duas misturas de grande uso comercial sao:I Em refrigeracao, solucao de amonia (refrigerante) + agua

(absorvente);I em ar condicionado, solucao de brometo de lıtio (absorvente) + agua

(refrigerante), a qual e menos perigosa que a mistura anterior.

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Balancos

I Devido a presenca de dois fluidos no sistema por absorcao e adicaode mais componentes, a analise termodinamica desse ciclo e umpouco mais complexa;

I Deve-se levar em conta nao so o balanco de energia, mas tambem obalanco de massa do absorvente e refrigerante;∑

minhin −∑

mouthout + Q − W = 0 (3)

∑min =

∑mout (4)

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Balancos

∑minxabs,in =

∑moutxabs,out (5)

∑minxrefri ,in =

∑moutxrefri ,out (6)

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Analise Termodinamica

I Equacao 3 e usado para encontrar o balanco energetico;

I A equacao 4 e o balanco de massa global;

I Equacoes 5 e 6 sao balancos de mass apenas para o absorvene ourefrigerante, respectivamente.

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Sistema Agua-LiBr

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Sistema LiBr-Agua

I Nos sistemas de refrigeracao por absorcao LiBr-Agua, a agua eutilizada como refrigerante e o brometo lıquido e o absorvente;

I Por utilizar agua como refrigerante, nao e possıvel obtencao detemperaturas abaixo de zero e assim sao sistemas empregados emcondicionamento de ar;

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Sistema LiBr-Agua

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Sistema LiBr-Agua

I Condensadorm1 = m2 = m (7)

Qc = m(h1 − h2) (8)

I Valvula de expansao de refrigerante (VER)

m2 = m3 = m (9)

h2 = h3 (10)

I Evaporadorm4 = m3 = m (11)

Qo = m(h4 − h3) (12)

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Sistema LiBr-Agua

I Valvula de expansao de solucao (VES)

m9 = m10 = ms,forte (13)

h9 = h10 (14)

I Absorvedorms,fraca = (1 + λ)m (15)

ms,forte = λm (16)

Qa = m[(h4 − h5) + λ(h10 − h5)] (17)

I Onde λ e o coeficiente de circulacao e e dado por:

λ =Xs,fraca

Xs,forte − Xs,fraca(18)

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Sistema LiBr-Agua

I Trocador de Calor

m6 = m7 = ms,fraca (19)

m8 = m9 = ms,forte (20)

QTC = (1 + λ)m(h7 − h6) (21)

QTC = λm(h8 − h9) (22)

I Geradorm7 = m8 + m1 (23)

Qg = m[(h1 − h7) + λ(h8 − h7)] (24)

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Sistema LiBr-Agua

I Bomba de Solucao

m5 = m6 = ms,fraca (25)

WB = ms,fraca(h6 − h5) = (1 + λ)m(h6 − h5) (26)

WB = (1 + λ)mvs,fraca(P6 − P5) (27)

WB = (1 + λ)mvs,fraca(Pc − Pe) (28)

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Sistema LiBr-Agua

I Pode-se tambem utilizar as propriedades de cada componente damistura separadamente.

hsol = XihLiBr + (1 − Xi )hH2O (29)

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Sistema LiBr-Agua

I Fontes termicas para sistemas de refrigeracao Agua-LiBr:I Sistemas de alta capacidade empregam vapor de agua ou agua

quente;I Sistemas de baixa capacidade empregam oleo ou agua;I Sistemas de unico estagio tıpicos necessitam de fontem termica a

aproximadamente 120°C para produzir agua a 7°C, para ocondensador operando a aprox 46°C e o absorvedor operando a aprox.40°C

I os COPs variam de 0,6 a 0,8 para sistemas de unico estagio e 1,2 a1,4 para sistemas de multiplo estagio

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Sistema LiBr-AguaI Exemplo 1 -Dado o ciclo de absorcao da figura, determine: a taxa

de transferencia de energia em cada componente e o COPabs dociclo, sabendo que a concentracao da solucao forte e X8 = 0, 664 ea concentracao da solucao fraca e X5 = 0, 5.

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Sistema Agua-Amonia

I Nestes sistemas, a amonia e o refrigerante e a agua o absorvente;

I Apresentam maior versatilidade que os sistemas baseados emAgua-LiBr pois podem ser empregados para resfriamento atemperaturas abaixo de 0°C (refrigeracao) e tambem temperaturasacima de 0°C (ar condicionado);

I Entretanto sao sistemas mais complexos tanto no projeto quanto naoperacao, devido a menor diferenca dos pontos de ebulicao dorefrigerante e absorvente (∼= 133°C )

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Sistema Agua-AmoniaI Por este motivo, o vapor gerado no gerador de vapor e composto

por amonia e agua, o que acarreta as seguintes caracterısticasnegativas:

I Transferencia de calor no evaporador e condensador nao ocorre atemperatura constante;

I Aumento da temperatura de evaporacao;I Evaporacao incompleta;I Acumulo de agua no evaporador, gerando mal funcionamento do

sistema;I Aumento da razao de circulacao.

I Para atenuar estes efeitos, e necessario minimizar a concentracao devapor de agua na amonia na entrada do condensador;

I Isso e realizado pela utilizacao de uma coluna de retificacao e umdephlegmator entre o gerador e o absorvedor. Emprega-se tambemum trocador de calor de sub-resfriamento;

I A adicao destes componentes aumenta a complexidade do sistema,custo e reduz o COP quando comparado aos sistemas que empregamAgua-LiBr

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Sistema Agua-Amonia

I Funcao da coluna de retificacao e do dephlegmator:I A funcao da coluna de retificacao e do dephlegmator e reduzir a

concentracao de agua na saıda do gerador;I Neste caso, o percentual de agua e inferior a 1%, ao inves de 5% sem

a utilizacao destes equipamentos;I A coluna de retificacao e projetada de modo que o tempo de

residencia dos fluidos seja elevada, levando a elevadas taxas detransferencia de calor e massa sejam atingidas;

I Em geral e do tipo contra-corrente;

I Funcao da trocador de calor de sub-resfriamento:I Em geral e do tipo contra-corrente;I Aumentar o efeito de refrigeracao;I Garantir a entrada de lıquido na valvula de expansao de refrigerante;

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Sistema Agua-Amonia

I Funcionamento do sistema de refrigeracao com agua-amonia:I Tem-se vapor a baixa pressao e baixa temperatura na saıda do

evaporador, ocorrendo troca termica no trocador de calor desub-resfriamento;

I O refrigerante adentra o absorvedor, em que e absorvido pela solucaofraca em amonia advinda da valvula de expansao;

I A taxa de transferencia de calor associada a absorcao e rejeitada paraa fonte termica externa;

I A solucao rica em amonia e bombeada pela bomba de solucao ate apressao do gerador de vapor;

I Esta solucao a elevada pressao e pre-aquecida no trocador de calor IIantes de se dirigir ao gerador de vapor;

I No gerador de vapor, taxa de transferencia de calor e realizada e,como resultado, tem-se formacao de vapor de amonia e agua;

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I Funcionamento do sistema de refrigeracao com agua-amonia:I Na coluna de retificacao, as temperaturas do vapor e da agua sao

reduzidos;I No dephlegmator, o vapor de agua e resfriado e condensado, sendo

entao removido da mistura. Este processo e exotermico, ou seja,ocorre transferencia de calor para as vizinhancas;

I O vapor na saıda do dephlegmator e praticamente puro em amonia sedirige ao condensador, rejeitando calor para o ambiente externo;

I Ao passar pelo trocador de calor de sub-resfriamento, o lıquido atingeum determinado grau de subresfriamento;

I O lıquido se dirige ao dispositivo de expansao e posteriormente aoevaporador, onde ocorre o efeito de refrigeracao;

I Ocorre transferencia de calor e massa entre a agua condensada(formada no dephlegmator) e a solucao rica na coluna de retificacao;

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I A solucao fraca em refrigerante se dirige ao trocador de calor dasolucao, sendo resfriada (pre-aquece a mistura rica);

I A solucao fraca ainda em alta pressao expande novamente antes deretornar ao absorvedor, reiniciando o ciclo.

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Sistema Agua-AmoniaI Coluna de retificacao e dephlegmator:

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I Condensadorm10 = m11 = m (30)

Qc = m(h10 − h11) (31)

I Valvula de expansao de refrigerante (VER)

m12 = m13 = m (32)

h12 − h13 (33)

I Evaporadorm13 = m14 = m (34)

Qo = m(h14 − h13) (35)

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Sistema Agua-Amonia

I Valvula de expansao de solucao (VES)

m7 = m8 = ms,fraca (36)

h7 − h8 (37)

I Absorvedorm + ms,fraca = ms,forte (38)

ms,fraca = λm (39)

ms,forte = (λ+ 1)m (40)

λ =1 − Xs,forte

Xs,forte − Xs,fraca(41)

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I AbsorvedorQa = m[(h1 − h2) + λ(h8 − h2)] (42)

I Bomba de solucao

m3 = m2 = ms,forte (43)

WB = (1 + λ)ms,fortevsol(P3 − P2) (44)

I Trocador de calor Im11 = m12 = m (45)

m14 = m1 = m (46)

QTCI = m(h12 − h11) = m(h1 − h14) (47)

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I Trocador de calor II

m6 = m7 = ms,fraca (48)

m3 = m4 = ms,forte (49)

QTCII = (1 + λ)m(h3 − h4) = λm(h6 − h7) (50)

I Geradorm4 + m6 = m10 (51)

Qg − Qd = m[(h10 − h4) + λ(h6 − h4)] (52)

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